煤矿大倾角行人斜巷架空乘人装置及其监控系统的选型设计

郭建山

（山西阳泉煤业集团三矿机电工区， 山西 阳泉 045008）

引言

随着矿井现代化的进程，综采工作面的采煤机、掘进机以及刮板、带式输送机的自动化、机械化、智能化程度越来越高，但是辅助运输装置的发展却大大落后于工作面的大型机电设备[1]。架空乘人装置作为矿井的辅助运输装置，主要承担作业人员的运输任务。为进一步提升作业人员达到或离开工作面的效率，在工作面引入架空乘人装置。本文着重对矿井斜巷架空乘人装置进行选型设计。

1 架空乘人装置的概述

1.1 架空乘人装置的定义

所谓架空乘人装置是根据我国煤矿工作面特点所设计的水平或倾斜巷道内完成作业人员运输的装置，简称“猴车”。架空乘人装置属于无极绳运输设备，主要由驱动装置、张紧装置、线路部分等组成[2]。该装置具有运量大、随到随行、能耗小、操作简便的特点，可在我国矿井中推广应用。

1.2 架空乘人装置的工作原理

架空乘人装置的动力由驱动电机带到减速器进而驱动摩擦轮，摩擦轮上安装有钢丝绳，钢丝绳承担所有牵引和承载作用。乘人吊椅循环（从机头端-机尾端）悬挂于钢丝绳上，从而完成了作业人员的运输任务。为了确保钢丝绳的张紧力，在机尾端设计有张紧装置。

总的来说，架空乘人装置主要由调速、控制以及信号保护三个分系统组成。其电控系统是基于PLC所实现的，能够实现对装置的过载保护、无人值守停车、张紧保护等功能[3]。

2 架空乘人装置结构的选型设计

2.1 架空乘人装置的结构组成

架空乘人装置的结构组成如图1 所示。

图1 架空乘人装置结构示意图

如图1 所示，架空乘人装置主要由驱动装置、乘人装置、托绳装置、尾轮以及张紧装置等组成。其中，驱动装置是由驱动电机+减速器+制动器+联轴器+托绳装置所组成的，根据不同的运输任务为装置配置匹配的电机和减速器[4]。

张紧装置作为架空乘人装置的重要组成部分，其为钢丝绳提供一定的张紧力，以确保钢丝绳的垂度，进而保证钢丝绳与驱动轮之间的摩擦系数不小于0.2。张紧装置的主要分系统为张紧小车，其结构如图2 所示。

2.2 架空乘人装置的布置

根据矿井工作面现场情况的不同，将架空乘人装置布置如下：

1）根据矿井工作面的情况将巷道分为尽头式和通过式；

图2 张紧小车结构示意图

2）根据矿井工作面的情况，将架空乘人装置的机头驱动部分布置于斜巷的上方，将架空乘人装置张紧装置布置于斜巷的下方；

3）对于尽头式巷道而言，架空乘人装置的电控部分布置于巷道的中间位置；对于通过式巷道而言，架空乘人装置的电控部分布置于巷道的延伸位置；

4）对于大倾角斜巷而言，采用倾斜安装，保证绳轮与巷道的倾角一致。

2.3 架空乘人装置关键部件的选型设计

本文以某矿井斜巷为应用环境，对架空乘人装置的关键部件进行选型设计。该斜巷的总长度为2 600 m；巷道倾斜角度为18°。经计算（鉴于篇幅有限，此处略去计算过程），所得架空乘人装置的关键部件选型结果如表1 所示：

表1 架空乘人装置关键部件选型结果

3 架空乘人装置监控系统的设计

架空乘人装置控制系统需根据现场情况对其进行不断优化改进，使其功能更加齐全，可靠性更高，使用更加便捷。实现架空乘人装置的上述功能要求，首先确保能够准确获取架空乘人装置的实时运行状态，即需要监控系统基于通信协议实现对装置的远程监测和控制。

3.1 监控系统的总体设计

根据架空乘人装置监控系统的需求，将整个监控系统分为管理层、控制层、设备层以及现场仪表层。其中，管理层为监控系统的上位机操作系统，基于该界面能够实时显示装置的运行状态以及报警信号；控制层为基于PLC 控制器和变频技术所设计的控制系统；设备层为被监控的设备，包括驱动电机、摩擦轮、制动器以及张紧小车等；现场仪表层主要指现场的信号检测系统、各类传感器等[5]。

3.2 监控系统硬件的选型设计

PLC 控制系统为监控系统的关键分系统，系统的响应特性和精确性在一定程度上受制于PLC 控制系统中PLC 控制器的运算速率和运算精度。综合考虑设备性能及成本分析，所选用的PLC 控制器的型号为FX2N-64MT，该控制器能够为系统提供64点输入输出点数，满足架空乘人装置监控系统的控制需求。

变频器为实现架空乘人装置节能运行，实现对矿井工作面电气传动控制系统的智能化集中控制功能。本监控系统所选用变频器的型号为三菱FR-F740。

3.3 监控乘人装置的软件设计

根据矿井巷道架空乘人装置的使用情况，通过远红外传感器对乘车处和下车处的信号进行感知。其中，当有人乘车时系统会启动所有保护功能，当无人乘车时系统会自动停车，进而达到减少能源消耗的目的。基于现场应用情况，设计如图3 所示的架空乘人装置监控系统软件流程图。

图3 架空乘人装置监控系统软件流程图

如图3 所示，系统首先会对程序控制方式进行判断，当为自动控制时需对上车人数和下车人数进行统计，并根据远红外传感器所采集的信息判断是否启动各类保护系统以及是否停车等状态。

4 结语

架空乘人装置作为矿井生产中必不可少的辅助运输装置，其主要承担作业人员的运输任务，其可靠性和运输效率间接决定综采工作面煤炭的产量并直接决定作业人员的安全性。因此，需根据矿井的实际人员运输任务及工作流程对架空乘人装置的关键部件（电机、减速器、制动器）等进行选型设计，以确保其可靠性。此外，为架空乘人装置设计监控系统使其能够实时获取装置的运行状态，实现对装置运行状态的实时控制。