可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：河南省科技攻关项目（）；郑州市 年度重大科技创新专项（）作者简介：崔蕾蕾（），男，山东潍坊人，年毕业于中国矿业大学，现从事煤矿综采装备的研发管理工作。引用格式：崔蕾蕾，苏习灿，杨文明，等 可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用 能源与环保，（）：，（）：，可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用崔蕾蕾，苏习灿，杨文明，黄莹（郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 ）摘要：胶带自移机尾是煤矿工作面的主要设备，其移动频率直接影响着综采工作面的推进效率。在采煤过程中，采用传统的胶带自移机尾作业模式，拆胶带架频繁、效率低，不利于综采工作面的高效推进。为了提高综采工作面的效能，减少频繁拆胶带架，减轻工人的劳动强度，研发一种可伸缩式胶带自移机尾系统。同时将传统的手操阀就地控制升级为电液控远程或集控控制，并且具备一键调平、自移等功能，此套系统结构简单方便、易操作维护，可以降低人力成本，提高煤炭生产效率。关键词：伸缩胶带架；锁紧机构；大伸缩比；远程控制中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；我国是一个多煤少油的国家，已探明的煤炭储量占世里煤炭储量的 ，可采量位居第二，产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二位。煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对主要位置，年煤炭在一次性能源生产和消费中占 左右；到 年，煤炭所占比例不会低于 ，煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇。随着采煤综合机械化程度的提高，胶带机自移机尾装置是煤矿工作面的主要设备，安装在转载机机头和带式输送机之间，转载机机头搭接在自移机尾的行走小车上。煤炭从转载机机头卸载到自移机尾，然后转运给带式输送机，输送到地面 。胶带机自移机尾装置应用于高产高效工作面巷道转载机与带式输送机的快速推移和正确搭接，满足工作面高进度、快推进的需要，同时该装置具有胶带跑偏调整、转载机推移方向校直和自行前移等功能，保证巷道运输、转载的通畅及设备的良好衔接。胶带自移机尾在整个井下运输系统中起着至关重要的作用，它的移动频率直接影响着工作面的推进速度 。传统的巷道转载机所配胶带机机尾为简易机尾，虽然可以满足转载机与其配合实现 的行程，但其结构性差、强度低，机械化程度不高，不能实现自行移动，只能依靠传统的单体支柱及拉移油缸实现自移前行，在实施普通胶带机尾移动时，一般需要 人相互配合搬运、支护单体液压支柱、连接 年第 期能源与环保第 卷拉移油缸、接液压管路等一系列高强度、高危险的劳动。现有的胶带机自移机尾采用一刀一移或三刀一移的工作方式，最大行程约 。如此频繁地移动胶带机尾就会频繁地拆除胶带机中间架体，而每拆除一架胶带机中间架至少需要 名矿工花费 才能完成。因此，现有的胶带机自移机尾也不利于提高生产效率 。传统的采煤过程中，一般采煤机割完 刀后，就必须拆胶带自移机尾移动方向端胶带架，推进自移机尾。这种工艺方法拆胶带架频繁，影响了综采工作面的推进速度。为了减少频繁拆胶带架，研发了一种可伸缩式胶带自移机尾系统，解决了频繁拆胶带架的问题，提高了综采工作面的推进速度，对综采工作面的高产高效意义深远。目前行业内胶带机尾多为手动阀就地控制，工人在设备旁操作具有一定的危险性，机尾调平依靠人眼观察，经验判断准确性比较差，还有一个更为致命因素就是因为油缸流量太大，无法做到油缸的精准控制，上下窜动很难调平。智能开采已成为煤矿安全高效生产的重要手段，国家“十三五”规划已将“加快推进煤炭无人化开采”列为国家重大工程项目。在运输方面各大厂家也开始发力。中煤张家口在陕西榆林、山东兖矿等各大煤业集团纷纷推出了智能化成套输送设备，胶带自移机尾装置可实现转载机、胶带机尾等巷道设备的整体推移，为工作面的高效连续生产创造了必要的条件，除此之外还具有姿态自动检测，遥控远程控制，自动调平等功能，使得胶带自移机尾更加智能化。胶带自移机尾手操控制方式改造为电液控制方式后，可实现自动控制，无需专人长时间看守胶带自移机尾，改造后的胶带自移机尾拥有自移、调偏、调平等功能，因地面不平整、载荷不均等原因造成的胶带跑偏等问题，均可实现自动调平、调偏、自移等，除了上述优点之外，此项目可实现油缸的精准的控制，采集的数据的准确性有了极大提高，对公司实现成套化、智能化的发展战略打下坚持的基础 。系统主要组成及工作原理 主要组成部分由自移式胶带架、连杆、伸缩胶带架及自移机尾组成（图 ）。工作原理初始铺设时（图 ），自移机尾安装于转载机机机头的下方，伸缩架完全展开，自移式胶带架和自移图 可伸缩式胶带自移机尾系统示意 图 回采前铺设状态示意 机尾分别通过连杆与伸缩架连接；其中，伸缩架在展开时，利用锁紧机构将伸缩架锁紧。当推移自移机尾时，打开第一组伸缩件上的锁紧机构，自移机尾前移，压缩伸缩架收回，再锁紧伸缩架，进行下一次推进，直至所有伸缩件全部收回（图 ），拆除自移式胶带架的托辊架，打开所有伸缩件的锁紧机构，移动自移式胶带架，通过连杆带动伸缩架完全展开，锁紧，准备进行下一循环推进。图 伸缩胶带架全部收回示意 可伸缩式胶带自移机尾系统为了满足综采工面的高产高效推进，满足日采 刀一移（采煤机截深 ），针对目前状况，采用可伸缩式胶带自移机尾系统（已申请专利）实现了采煤机割煤 刀，集中一次拆 胶带架，自移式胶带架拉移伸缩胶带架完全展开（图 ）。关键部件结构（）自移机尾。该自移机尾主要由尾架、中间架、小车、推移油缸、头架、液压系统及附件等组成（图 ）。图 自移机尾示意 初始状态，推移油缸活塞杆完全伸出，当转载机沿自移机尾轨道向前推移时，以自移机尾作为支点，推移油缸随转载机的前移而随动收回，行走小车移 年第 期崔蕾蕾，等：可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用第 卷动至推移油缸完全收回位置，需移自移机尾，以转载机机头为支点，推移油缸完全伸出，自移机尾向前移动一个油缸行程，同时推动伸缩胶带架收缩一个油缸行程，直至伸缩胶带架完全收回。（）伸缩胶带架。该伸缩胶带架主要由托辊架、锁紧机构、伸缩机构及连接件等组成（图 ）。图 伸缩胶带架示意 初始状态，托辊架通过伸缩机构完全展开，锁紧机构锁紧伸缩机构；当自移机尾前移时，打开一组伸缩胶带架锁紧机构，自移机尾推动伸缩胶带架收缩。（）自移式胶带架。自移式胶带架主要由胶带架体、轨道、抬高装置、推移装置及螺栓组件组成，结构如图 所示。图 自移式胶带架示意 当伸缩胶带架完全收回，自移式胶带架抬高装置将胶带架体抬起，利用轨道与地面之间的摩擦力，以轨道为支点推移油缸伸出，推动胶带架体向前移动 个油缸行程，同时拖动伸缩胶带架展开 个油缸行程；抬高装置收回，拉移轨道离开地面，以胶带架体为支点推移油缸收回，拉移轨道向前移动 个油缸行程，进行下一次循环，直至伸缩胶带架被完全拉开。结构特点 自移机尾（）能实现与带宽 以上带式输送机配套使用。（）自移机尾采用 刀一移的作业模式，有利于缩短转载机悬空段的长度，进而缩短转载机整机的铺设长度，降低功率需求。（）控制精度高。通过研究，将电液控精准控制阀（图 ）设置在液压总管路上，精准控制阀连通自动反冲洗的出液口和电液主阀的进液口之间，电液主阀的工作口连通胶带自移机尾的各个执行油缸，这样就会在开启和关闭时，通过小流量进液减缓油缸的速度，使油缸停在想要停止的位置，大大增加了控制精度。图 精准控制阀连接线路 （）控制方式灵活。胶带自移机尾手动操作系统升级为电液控制系统，配置位移、倾角、压力传感器、遥控器等，获取设备数据并传递至控制器，控制器接收感知数据经集控中心运算后反馈至控制器和执行元件，可实现就地控制、遥控控制和远程控制。伸缩胶带架（）结构紧凑，伸缩比大。伸缩比达到 ；在满足日采 刀一移的情况下，减少了伸缩胶带架组的数量。（）采用锁紧机构锁紧，将伸缩机构机械锁死，有效防止伸缩胶带架在外力作用下收缩的风险。（）伸缩机构板材加厚，在展开时有利于加强托辊架的支持强度。自移式托辊架（）采用成熟迈步自移作业方式，实现托辊架的自行迈步，拖拽伸缩胶带架展开。（）采用电液控制系统，搭载先进的传感器或无线射频技术实现自移式托辊架的自动推移、遥控控制。本系统通过自移机尾、伸缩胶带架、自移式托辊架相互配合作业，实现了自推移、自锁紧、大伸缩比等功能，提高了工作面开采的推进效率，减少了频繁拆胶带架。控制系统胶带自移机尾自动化项目主要硬件由胶带机尾、电液主阀、电磁驱动器、控制器、倾角传感器、遥控器、稳压电源、中继器、位移传感器、反冲阀、精准精准控制阀等组成，需要将传统的手操阀就地控制 年第 期能源与环保第 卷改造为电液控远程或集控控制，并且具备一键调平、自移等功能。控制系统技术路线（）对目前国内外的现状做进一步调查，摸清楚现在煤矿、高校以及其他需要运用到此技术的公司或组织的需求，研究胶带自移机尾自动化的总体架构组成，对其产品定义、功能需求和参数标准、研发目标、性能要求等各方面进行总体分析设计；构建机械结构、控制、驱动、信息采集等软硬件的总体设计方案。（）研究胶带自移机尾的机械结构、功能及其控制方式，选择合适的传感器等硬件。（）对胶带自移机尾原有的控制系统进行改造，实现液压电控控制。（）控制系统改造完成后，利用数字采集器加装自买倾角、激光测距传感器等进行控制原理验证。（）对现有油缸进行改造，加装位移传感器，取消外置激光传感器。（）对精准控制阀进行测试，更换不同规格的阀芯，在加装位移传感器的胶带机尾上做调平实验，直到找到合适的阀芯，并得出调平逻辑。（）开发胶带自移机尾调平程序。（）用带有调平程序的 型本安控制器做工业性实验。（）控制器人机界面设计更换。（）胶带自移机尾自动化项目运用多种电气部件，涉及国标生产厂家众多，需逐一对比，选择最优供应厂家保证产品质量。控制系统功能要求（）自移机尾电液控制系统应遵循煤矿井下环境使用的电气产品相关的国家标准（）。（）电气产品满足防爆、防水、防尘等要求，本安部分防护等级不低于 。（）具有胶带自移机尾自动推移功能，能够自动检测推移距离，实现推移油缸的精准控制。（）具有胶带自移机尾姿态自动调节功能，能够自动检测胶带自移机尾姿态，根据倾角等传感器采集数值，通过算法校正可实现调平缸的精准调节，角度控制精度达 。（）系统具备流量调节功能，可根据动作时间或顺序，采用控制器自动精准控制流量的大小，使油缸动作起到减速效果，油缸速度不超过 ，控制精度达 。（）具有遥控操作功能，遥控器待机时间不低于 ，无线覆盖范围可达到 。（）具有压力检测、位移检测及上传功能，传感器数据可上传至巷道集控仓、地面调度室等，通信延迟时间不超过 。（）具有本地闭锁功能。控制系统关键技术 胶带自移机尾结构胶带机尾快速推移装置用于高产高效工作面巷道转载机与带式输送机机尾的快速推移和正确搭接，满足工作面高进度、快推进的需要，同时该装置具有胶带跑偏调整、转载机推移方向校直和自行前移等功能，保证巷道运输、转载的通畅及设备的良好衔接。该装置主要由头架、行走架、中间架、尾架、压带拖棍、滚筒、滑撬、侧移缸、调平缸、清煤器等部件组成，同时配备有液压控制系统和操作台。其中带式输送机机尾滚筒设置在尾架上并用压块固定，当整机前移时，带式输送机机尾滚筒随着一起前移，同时胶带张紧，而且在头架上装有平托棍和 形托棍，在尾架安装有压带拖棍，这样保证了胶带顺利导入和导出。胶带自移机尾原理第 次判定。根据实际情况设置某一千斤顶的正常高度区间，调平时先将该千斤顶调至正常高度区间内，该千斤顶设为调平基准角，该角垂直胶带方向为调平 轴，平行胶带方向为调平 轴。第 次判定。根据实际情况设置 轴的调平正常角度范围，以基准角所在的 轴两千斤顶为基准，分别调整另外 个千斤顶的高度，使两侧 轴分别处于正常角度范围。第次判定。根据实际情况设置 轴的调平正常角度范围，以基准角所在的一侧为基准，同时调节另外一侧的 个千斤顶的高度，使 轴处于正常角度范围。该装置可手动完成推移、胶带跑偏调整及校直等功能，其操作规程如下。（）机架自行推移操作。随着采煤机割煤的推进，转载机沿着本机导轨逐渐前移，当转载机前进到极限位置时，操纵操作阀将调平油缸收缩使滑撬抬起、如果底板局部不平，部分调平油缸可以不完全收缩，以保证整机水平，然后将推移缸活塞杆伸出，这样本机以转载机为支点前进一个行程。同时安装在机架上的胶带机机尾滚筒随之前移，胶带松弛，此时带式输送机应随着张紧胶带。在推移机架前先将胶带机靠近本机头架的轨梁拆掉 组，以便于空出本机的行走空间（不小于 的距离）。年第 期崔蕾蕾，等：可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用第 卷（）调整胶带跑偏的操作。当胶带向一侧跑偏时，可操作相应的调平缸，必要时尚需操作侧移缸，把机架相应一侧提高或校正，直至胶带恢复到正常位置为止。（）校正胶带机尾及巷道转载机机头的操作。当巷道转载机机头与工作面前进方向偏斜时或胶带输送机机尾与胶带输送机偏斜时，可通过该装置进行校正，操作程序为：操纵调平缸使机架升起，离开巷道底板；操纵侧移缸向所要求方向移动机架，调平缸与机架通过滑块便可以沿着滑撬的导轨向预定方向移动，侧移缸设计行程为 ，故机架每次移动最大为 ，此时滑撬偏向机架一方；操作调平缸将机架落到巷道底板上，并使滑撬离开底板，再操作侧移缸使滑撬恢复到中位；重复进行上述的侧移机架的动作，直至达到所要求的移动距离；既可同时向一个方向移动机架的前后端，也可单独移动机架的一端，还可同时向相反方向移动机架的前后端，后者俗称为“调角”。（）手操阀液压操作系统。液压操作系统由 个三位四通阀（包含一个备用阀）分别控制在 个调平缸、个推移缸，个侧移缸上，各油缸以高压乳化液为动力，液压系统工作压力不低于 ，而且在 个调平缸进液回路（升起机架）设有液压单向阀，以保证机架维持所要求的状态，而不至导致机架在自重压力下自行下落。系统开发 系统架构可伸缩式胶带自移机尾自动化控制系统架构如图 所示。系统配置（）液压系统配置明细：功能电液阀（）（）个；自动反冲洗过滤器（）台；精准控制阀 个；电液精准控制阀（）个；液控单向阀（）个；安全阀（）个；头架尾架调平缸（千斤顶 ）个；侧移缸（千斤顶 ）个；推移缸（千斤顶 ）个。（）电液控配置（电控控制部分）明细：电液控制器（）台；主阀及控制器安装架 个；矿用本安型电磁阀驱动器（）台；控制器护罩（）个；压力传感器（）台；位移传感器 台；推移行程 传感器（）台；磁环图 控制系统架构 （）个；电流型位移转接头（直通）（）个；隔爆兼本安型稳压电源（）个；瑏瑡 矿用本安型中继器（）台；瑏瑢 （）倾角传感器（）台；瑏瑣倾角传感器安装板个；瑏瑤矿用本安遥控器（）台；瑏瑥 信息扩展器（）台；瑏瑦声光报警器（）台。控制系统连接布置胶带自移机尾需要 个抬高缸、个调偏油缸、个推移油缸都安装位移传感器，并内置于油缸内部，用来反映油缸行程，从而指导油缸动作，需要两轴倾角传感器 个，各安装在胶带自移机尾两侧，用来监测胶带机尾的水平程度，主要用于调平。自动反冲洗过滤器在液压总管路上，减速缓冲阀安装在反冲洗和主阀之间，缓冲阀进液口连接反冲洗回液口，缓冲阀回液口连接主阀主进液口，主阀液压接口接胶带自移装置的抬高缸和侧推缸。再对应将先导接到数字采集器上，倾角传感器，红外测距传感器固定到胶带自移装置机身对应位置，并接进数字采集器模拟量接口，数字采集器通过以太网转 模块接进笔记本电脑。精准控制阀研究（）精准控制阀的结构及组成。精准控制阀结构如图 所示。电液控缓冲阀包括主阀阀体、开设 年第 期能源与环保第 卷在所述主阀阀体内的主流道及主阀阀体内的节流流道、电磁先导阀等主要部件。主流道包括进液流道、出液流道以及连通在进液流道和出液流道之间的连通腔，连通腔内设置有截止阀组件，截止阀组件为一个液控单向阀串；节流流道的两端分别接通上述进液流道和出液流道；进液流道还连通电磁先导阀的进油口，电磁先导阀的控制油出油口连通液控单向阀串的液控口。在电磁先导阀开启状态下，液控单向阀串处于截止状态，在电磁先导阀关启状态下，液控单向阀串处于开启状态。图 精准控制阀结构 （）精准控制阀原理。精准控制阀是一种设计科学、流量可控、推移油缸等执行机构控制精度高、可延长执行元件使用寿命的电液控缓冲阀及带有该缓冲阀的电液控制系统。精准控制阀原理如图 所示。图 精准控制阀原理 通过电液结合的控制原理，实现胶带自移机尾系统进液流量或执行油缸的双速控制。在油缸执行动作初始阶段，通过电液控制使系统小流量进液，执行油缸缓慢伸出，减缓启动时的液压冲击；中间阶段采取大流量快速进液，执行油缸快速执行动作；末尾阶段再小流量控制进液，实现执行机构动作的精准控制。以控制推移油缸为例，在油缸执行伸出动作时（即倒置安装油缸的拉架动作），下腔进液过程分 个阶段完成，分别为：在开始阶段缓冲阀上的电磁先导阀控制口一般设定开启 ，同时控制位移油缸拉架的电液阀处于工作位，此时油缸缓慢伸出；中间阶段缓冲阀上的电磁先导阀未工作而缓冲阀的大流量液控阀串处于常开状态，我们程序上一般设定值为 ，此时液压系统主油道大流量进液，油缸快速伸出；末尾阶段减冲阀上的电磁先导阀口设定开启缓冲阀的大流量液控阀串处于截止状态，控制推移油缸拉架的电液阀处于工作位，此时系统小流量进液直至油缸全部缓慢伸出。（）精准控制阀的应用。通过研究，如果将电液控精准控制阀设置在液压总管路上，精准控制阀连通自动反冲洗的出液口和电液主阀的进液口之间，电液主阀的工作口连通胶带自移机尾的各个执行油缸，这样就会在开启和关闭时，通过小流量进液减缓油缸的速度，使油缸停在想要停止的位置，大大增加了控制精度。精准控制阀连接如图 所示。图 精准控制阀连接 在调平时首先会把基准油缸的高度调整到合适高度范围之内，再将其他油缸的高度和基准油缸的高度做对比，以墙角传感器的数据为准绳，调节其他油缸的高度，使得胶带自移机尾处于水平状态。实现功能（）自移机尾电液控制系统符合井下环境使用的电气产品相关的国家标准（）。（）电气产品满足防爆、防水、防尘等要求，本安部分满足防护等级。（）实现胶带自移机尾的油缸推移功能，能够 年第 期崔蕾蕾，等：可伸缩式胶带自移机尾系统研发及应用第 卷自动检测推移距离及油缸的精准控制。（）实现胶带自移机尾姿态自动调节功能，能够自动检测胶带自移机尾姿态，根据倾角、位移等传感器采集数值，通过算法校正可实现调平缸的精准调节，角度控制精度达 。（）实现流量调节功能，可根据动作时间或顺序，采用控制器自动精准控制流量的大小，使油缸动作起到减速效果，缸速度不超过 ，控制精度达 。（）实现遥控操作功能，遥控器待机时间不低于 ，无线覆盖范围可达到 。（）实现压力检测、位移检测及上传功能，传感器数据可上传至巷道集控仓、地面调度室等，通信延迟时间不超过 。（）实现本地闭锁功能。（）可视化配置。遥控功能需要遥控器与控制器配合使用，在可视化配置软件中配置好遥控器的按键功能，打开遥控器电源，可自动匹配到控制器，按下按键可控制胶带自移机尾的移动、调偏、调平等功能。应用效果该套系统已于 年 月初应用在和布克赛尔蒙古自治县某矿工作面，该工作面长 （巷道中心对巷道中心），工作面走向长度 ，走向倾角 ，顶板为泥质粉沙岩，底板泥岩、灰泥岩。该自移机尾排布于运输巷，布置在转载机和胶带机之间，实际布置情况如图 所示。图 井下应用照片 目前该系统已在井下稳定运行 个多月，推进长度 ，期间顺利度过巷道起伏、仰俯采等较复杂状况，实现操作人员减至 人，具备自移、自动调平、自动调偏、智能监测、与工作面协同推进等功能，大幅降低了工人劳动强度，提高了井下运输的工作效率和安全性，为煤矿创造了价值和效益。该系统具有较强的示范推广价值，可为其他矿井的智能化建设提供借鉴，推动煤矿智能化建设的进程。结语本文开发的可伸缩式胶带自移机尾系统采用迈步可伸缩的结构形式，同时搭载先进的传感器及无线射频技术，实现了自推移、自锁紧、大伸缩比等功能，减少拆除带式输送机中间架的次数，减少辅助时间，提高了工作效率。其结构紧凑，可伸缩比大，技术成熟，操作方面，实用性强，具有较强的示范推广价值，可为其他矿井的高产高效提供借鉴，对实现综采工作面快速推进起着重要的作用，将有效提升我国煤机装备制造企业核心技术能力，打造高端装备国产品牌，提高我国智能综采成套装备国际竞争优势。推进煤炭产业转型升级，助力煤机装备企业自主创新，提升我国高端制造、智能制造水平。同时将传统的手操阀就地控制升级为电液控远程或集控控制，并且具备一键调平、自移等功能，此套系统结构简单方便、易操作维护、可以减少人力成本，提高煤炭生产效率。参考文献（）：成大先 机械设计手册：第 版 北京：化学工业出版社，苏习灿，张定堂，杨文明，等 大行程输送带自移机尾的研发 煤矿机械，（）：，（）：任乐乐，张幸福，李春鹏 缓冲阀控制系统在输送带自移机尾上的应用及性能研究 煤矿机械，（）：，（）：陈清华，杨应迪 长运距重型带式输送机自移式机尾的改进设计 煤矿机械，（）：，（）：王铁军，张剑华，罗宇 大运能长运距带式输送机重型自移机尾 煤矿机电，（）：，（）：（下转第 页）年第 期陈华：煤矿局部通风机智能控制系统设计第 卷 ，（）：焦婉莹，史佳豪，赵向杰 煤矿通风机监控系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：赵凯，徐梦雅 基于 神经网络的矿用通风机运行状态监测及报警系统研究 能源与环保，（）：，（）：常新明，陈国栋，李相，等 矿井局部通风机变频控制系统的设计研究 能源与环保，（）：，（）：曹建文 高瓦斯煤矿局部通风机智能变频控制系统设计 山西焦煤科技，（）：，（）：，李建刚，任子晖，刘延霞 基于 神经网络矿用通风机故障诊断的研究 煤矿机械，（）：，（）：闫向彤，杨琦 煤矿井下局部通风机需风量的预测 煤炭工程，（）：，（）：李国庆，尹周，赵义飞 煤矿井下局部通风机需风量的预测探析 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