煤矿掘进机电控系统的可靠性设计分析

高岩芝 石新

山东华新建筑工程集团有限责任公司 山东泰安 271219

在我国煤矿企业中悬臂式掘进机被广泛应用，它不仅兼有切割、运输和运输的功能，实现了矿井生产的高产高效，而且它与锚杆钻机搭配使用，开掘巷道与锚喷加固同时推进，又大大减小了巷道的用工消耗和建设周期[1]。

1 掘进机现存问题与改进方向分析

臂架式纵向掘进机是综采工作面应用最广泛的掘进机。该机切割部分体积小、功率大，切割力大，工作效率高；纵向切割方式使其适应性更强；星轮加载设计有利于提高机器的连续运行时间，降低故障概率；输送机采用双面链条结构，稳定性高；输送带内外两侧均设有雾化机构，便于最大限度地减少运行中的煤尘。制约臂式掘进机发展的一个重要问题是电控系统。目前电控系统主要有以下三个方面：①目前电控系统中电子元器件的寿命较低，故障次数较多。②电子控制系统的总体设计思想是模糊的，逻辑语言是混沌的。当故障发生时，排除故障会浪费很多时间。③系统软件的设计没有引起足够的重视，应根据矿山自身的特点对软件进行重新设计。本文通过对掘进机目前存在问题的分析研究，确定了掘进机电控系统的研究方向：首先，确定了掘进机电控系统的总体设计方案，其次，对系统的硬件进行了设计，最后，对掘进机电控系统进行了研究，软件系统的设计实现了软硬件的最佳组合效果，提高了系统的可靠性和适应性。

2 掘进机电控系统可靠性的定性分析

2.1 掘锚一体化技术

掘锚一体化技术在西方国家首先推广开来，通过提升掘锚机掘锚作业的工作质量，则能够扩大掘锚机械的应用范围。掘锚一体化技术主要应用在顶板条件相对较差的单巷与双巷掘进中，有利于促进掘进速率的提升，快速推动支护技术的有效改善。数据调查研究显示，掘锚技术能够提高65%左右的煤矿开采速度，由掘锚施工一体化的信息内容可知，掘锚杆在顶板暴露安装，有利于促进机械性能以及作业环境的有效改善[2]。煤矿在掘进的过程中，掘锚一体化有利于凸显技术优势，增强机械运作的效率，促进作业环境稳定性的提升。我国煤矿企业要从实际情况出发，提升掘锚技术的创新和应用，从而促进煤矿行业实现健康可持续发展。

2.2 系统安全性设计分析

电控系统是掘进机的重要组成系统，而操作箱又是掘进机运转的起点，考虑到煤矿环境中存在有瓦斯、煤尘和粉尘这些易爆物质，所以操作性的防爆措施至关重要，因此防爆处理便是系统安全可靠性设计的第一环；误操作的保护设计也至关重要，作为命令的发起者，牵一发而动全身，要保证操作命令输入的正确性，可以在软件上设计逻辑检查功能，或者操作的二次确认功能，确保无误操作，同时也应设计紧急停止功能，使误操作万一发生时可以立刻停止错误指令，减小损失，因此误操作设计及急停设计是系统安全可靠性设计的第二环；操作箱存在用电行为，就必须保证电气安全，在用电过程中，短路和断路现象都会引起极大的隐患，短路现象会引起局部电线或部件过热，从而引发电气火灾。断电现象则会引起某个部件停止工作，如热敏传感器或者瓦斯传感器因局部断电而失去功能，也将威胁到生产安全，因此过电保护功能的设计便属于第三环。

2.3 元器件设计及操作实现

在电控系统的主回路部分应设置熔断器用于保护系统在短路时候的安全性，电流变送器的数目尽量不小于5组，其中截割电机的额定功率为260kW，二运电机的额定功率为15kW，在总回路的额定电流不得大于290A。隔离开关的额定电流为390A，型号可以采用400E11，应该提高30%的冗余电流设计余量。交流真空接触器应考虑分段极限设计，对每个分段的额定电流能力进行规定，额定电流可考虑为200A。变速器采用三相电流型，型号为CS66系列，可以同时测量6路电流。电源必须选用安全稳定可靠的安全本质型电源系统，具有防爆合格证和过载保护功能，并结合空气断路器对线路进行短路保护。在整体系统操作单元的末端设置显示器，能够清晰地显示整个电气系统的运行状况，整体结构的数据通信接口应支持RX485，能够应对-20-80℃的恶劣电气环境。

2.4 数据通讯

通常，掘进机的工作过程是由驾驶员通过操作箱发出操作指令，然后传送到电控箱，由专用设备根据指令的要求对电控箱进行控制。传统的操作箱向电控箱传输信号时，需要20多条导线连接。如果信号被反馈，它需要多达30根电线来连接。过多的连接不仅增加了设备的整体体积，而且加剧了掘进机施工过程中的安全风险。因此，本部分主要设计计算机通信条件进行信号传输和反馈，同时设计相应的软件程序来完成计算机通信。

2.5 环境适应性设计分析

掘进机所处的工作环境十分恶劣，主要包括切割岩壁时的震动、破碎岩石产生的粉尘、除尘所喷洒的水雾以及空气流通不畅导致的机械发热等，这里主要根据这几点进行可靠性分析及设计。

（1）震动，主要的措施是进行防震设计，加装防震装置，同时也可以在切割部位及电控部件之间增加隔震装置，减小震动的传导性。

（2）粉尘，粉尘主要会对元器件的精度、灵活性及散热产生影响，相应的设计则是水雾降尘和重要元件的防尘处理相结合措施，从而保证元件的正常使用。

（3）水雾，水雾对于电子元件的影响极大，首先是湿度增加会影响电子元件的灵敏度，使得所采集的数据有偏差；其次是水雾与粉尘的结合对于元件本身具有一定的腐蚀性，因此需要采取作业现场的除湿和电子元件隔水相结合的措施。

3 结语

掘进机中控系统通过增加功能模块和液压元器件提升了掘进机开采精度以及效率，实现了远程操控作业化的功能，减小了人工干预出错的可能性，对煤矿企业本质安全化管理有了极大的促进作用。