立井罐笼自锁式双向动力自动罐帘门设计与应用

张振东

（河南大有能源股份有限公司千秋煤矿，河南三门峡 472300）

0 引言

河南大有能源股份有限公司千秋煤矿位于河南省义马煤田中部，始建于1956 年，1958 年简易投产，2019 年核定生产能力为150 万吨/年，矿井提升方式为立井罐笼提升。立井罐笼提升作为矿山的主要生产运输方式，是矿山立井提升系统的咽喉部位，副立井提升承担着立井上下人员、设备与物料运输的任务，是十分重要的矿山生产安全场所，现有罐笼是独立运行的封闭空间，运行期间基本与外界隔绝，没有信息联络。我国各类矿山有近万个立井罐笼提升系统，其中绝大部分立井罐笼提升系统仍然沿用传统的罐笼与装备，罐笼内部系统相关联的装备为人工手动操作方式，罐笼与外部系统相关联的由人工实现，其自动化问题一直困扰生产。因此罐笼内部系统与外部系统的关联装备实现自动化与智能化，是亟待解决的重大问题。针对上述现状与问题，设计推广应用了自锁式双向动力自动罐帘门，改变了立井罐笼提升系统的传统生产作业模式与理念，实现了立井罐笼提升系统的自动化与智能化。

1 改造原因

副立井井筒净直径6.0 m，提升高度130 m，装备一对2 t矿车罐笼，担负矿井一水平辅助提升任务。副立井原罐笼门采用8 根直径16 mm 镀锌钢管组合软链条形成帘子结构，每根钢管两端焊接直径35 mm 环套在罐笼门两侧约束滑道上下，开启和关闭操作均采用人工手动操作，且雨季井筒内临水较大，操作方式繁琐，存在安全隐患。为解决上述问题，与技术部门联合攻关，为适应立井罐笼提升系统中井口、井底罐笼的罐帘门自动开启与关闭要求，设计并应用立井罐笼自锁式双向动力自动罐帘门，该装置具有结构简单、维修量小、安装方便、遥控操作、使用安全可靠等特点。

2 立井罐笼自锁式双向动力自动罐帘门各部分构造

智能控制系统由自动罐帘门、智能控制、能源、吸能阻+抱车锁定、应急无线通信系统五部分组成。

2.1 自动罐帘门

2.1.1 结构组成

自动罐帘门主要由罐内门档机构、门挡导向机构、传动机构、从动轮机构、传动链条、驱动机构、电源、电控系统等组成（图1）。

图1 自动罐帘门原理

2.1.2 工作原理

自动罐帘门驱动装置安装在罐笼盘体内部。罐笼进出车方向立柱上焊接上下固定角钢，传动机构及门挡滑道采用螺栓固定在焊接角钢上。驱动机构与传动机构内部链轮之间安装传动链条。门挡机构及从动轮机构安装在门挡滑道内部，其中从动轮机构安装在门挡机构滑道下方。在传动机构链轮与从动轮机构之间连接驱动链条，驱动链条两端接头处连接在门挡机构底部挡杆上，形成无级传动链。

罐笼到位，打开罐帘门时，遥控操作驱动机构正转，通过传动机构及驱动链条的作用，驱动链条拉动门挡机构底部挡杆向上运动，底部挡杆依次带动各挡杆向上运动，罐帘门打开。关闭罐帘门时，遥控操作驱动机构反转，通过传动机构及驱动链条的作用，驱动链条拉动门挡机构底部挡杆向下运动，底部挡杆依次带动各挡杆向下运动，罐帘门关闭。

2.1.3 安装与调试

自动罐帘门安装时需要以安装布置图为基础，对该装置安装进行系统安装。

（1）罐笼立柱上焊接上下固定角钢。按照图纸要求首先在罐笼立柱上焊接上下固定角钢，注意角钢地面与罐笼盘体底部在同一水平位置，高度误差不得超过2 mm，上下固定角钢之间留有安装传动机构及门挡滑道的空间，焊接必须牢固、可靠。

（2）安装传动机构及门挡滑道。在上固定角钢上采用螺栓固定安装传动机构。在传动机构和下固定角钢之间安装门挡滑道，门挡滑道在罐笼两侧都要安装，紧固螺栓前，调整门挡滑道的间距及垂直度。其中，两侧门挡滑道的间距误差不超过2 mm。

（3）驱动链条、从动链轮安装。按图纸要求截取需要的驱动链条长度（节数）。在传动机构链轮与从动轮机构链轮之间连接驱动链条，驱动链条的两端接头连接在门挡机构底部挡杆链条耳板上。调整驱动链条的张紧度与门挡机构底部挡杆水平度。

（4）驱动机构安装。按图纸要求截取传动链条长度（节数），把驱动机构放入罐笼盘体内部后，在驱动机构链轮与传动机构链轮之间安装传动链条，调整驱动机构相对于罐笼中心的对称度与传动链条的松紧度，合适后把驱动机构固定板焊接在罐笼上，驱动机构与之固定螺栓拧紧固定。

（5）门挡机构安装。把门挡机构上部挡杆整体放入门挡滑道内部，并采用连板与底部挡杆连接。

（6）电源控制箱安装。在罐笼上盘体内部、检修门正下方焊接电源控制箱固定梁，电源控制箱采用螺栓与之固定。

（7）接线。电源控制箱内部已经安装了电控系统与蓄电池，在对应接线端子位置与驱动装置电机之间安装动力电缆。

（8）调试。按下遥控器上罐帘门“开”按钮，观察罐帘门是否开启，如果是关闭运动，则需改变电机电源极性。罐帘门打开后观察底部挡杆水平度，如果出现倾斜现象则需调整驱动链条位置，直至挡杆水平。

2.2 智能控制系统

2.2.1 结构组成

智能控制系统由主控箱、无线收发器（多功能接收器/无线模块）、手持遥控器、信号房收发器、位置/计数传感器、井筒到位传感器（防爆磁性接近开关与控制磁钢组合）、信号电缆等构成。主控箱由防爆外壳、防爆隔缆头、铭牌、接地极、电源开关、显示窗口、微处理器、无线收发器和电机驱动器等部件构成（图2）。

图2 主控箱

2.2.2 无线收发器

无线收发器由外壳、微处理器、外置天线、指示灯及输入输出接口等组成（图3）。

图3 主、从无线收发器

2.2.3 手持遥控器

手持遥控器由外壳、微处理器、外置天线、指示灯、显示、停止、锁罐、解罐、罐门开关、阻车开关、电源开关等按键组成。

2.2.4 信号房操作台

信号房操作台控制面板由停止、罐门开/关和阻车开/关以及提人/提物转换等开关、按键及指示灯组成（图4）。

2.3 能源供电结构

能源供电结构（无线供电）由锂电池、无线充电发射器（发射模组）、无线发射板、无线接收板、无线充电器（接收模组）、天线、无线自动对位支架和无线充电保护防爆合等构成。其中，锂电池包括外壳、充电口、放电口、铭牌、把手和保护板等部件。发射盘和接收盘如图5 所示，总体结构如图6 所示。

图5 接收盘和发射盘

图6 能源供电总体结构

接收板、接收模组和锂电池安装在罐笼上，随罐笼移动；发射板和发射模组安装在井架上，发射板可上下动。罐笼移动到正常停车位时带动发射板自动对位接收板；发射模组由外部交流电降压整流供电，同时，发射模组的微处理器通过天线一直发射对位信号；接收模组由锂电池降压供电，接收模组微处理器一直等待接收对位信号，接收对位信号范围为1 m 左右；接收模组微处理器收到对位信号后，经过20 s 左右判断确认后，通过天线发出返回信号，发射模组微处理器收到返回信号，通过发射模组微处理器使电能转换成磁能，并控制发射板以电磁波形式传输出去；接收板感应到磁场变换产生电流，电流的变化信号使接收模组微处理器返馈给发射模组微处理器，使发射板与接收板之间形成磁耦合，产生一个交变磁场，使接收板产生的电流给锂电池充电。接收微处理器根据接收板和发射板之间距离，以及检测锂电池电压高低采集的信号，无线反馈给发射模组微处理器，发射模组微处理器控制磁场强弱变换，从而控制充电电流大小，就构建了一套无线电能传输系统。

2.4 吸能阻+抱车锁定机构

吸能阻+抱车锁定机构由吸能阻、抱车锁定、丝杠、扭矩限制器、弹簧、调节螺母、电机、减速机等组成（图7）。

图7 吸能阻+抱车锁定机构

提物时，当罐笼到达正常停车位时，罐笼到位开关接通，罐笼到位开关发出信号给微处理器，微处理器一直循环判断罐笼是否到位。微处理器收到到位信号，到位信号接通，给信号输入继电器供电DC 24 V；给电机驱动器供电DC 48 V，电机处于待机状态，否则电机不得电。自动发出锁罐信号或手动发出锁罐信号给打点房，检查锁罐信号。如果检测到已锁罐信号，则锁住打点房打点信号，不能给绞车房发运行（动罐）信号。

若在手动提物位置，矿车出（卸）车时，井口信号房或手持遥控器发出无线工作信号，例如退出阻车信号给主控箱，主控箱内部微处理器接收到无线退出阻车信号，接着判断是否在提物位置。如果是，自动锁住提人控制程序；退出阻车信号在微处理器内部按退出阻车程序执行，微处理器输出使能退出阻车信号和反向信号给电机驱动器，电机驱动器驱动电机反转，带动减速机、扭矩限制器、丝杠、丝杠带动抱车锁定机构后退。当抱车锁定机构接近吸能阻时，抱车锁定机构的拨叉自动嵌入吸能阻，带动吸能阻向下翻转自动归位而停止。接着推车机可以把矿车推出。

矿车进（装）车时，在进车前井口信号房或手持遥控器发出阻车挡车信号，挡车信号根据实际现场或软件编写要求，自动持续0.95～1 s。微处理器收到阻车挡车信号，发出正转使能信号，驱动电机带动抱车锁定机构前进，同时抱车锁定机构带动吸能阻向上翻转，持续0.95～1 s，刚好到位停止，这时抱车锁定机构的阻车边缘滞后吸能阻的挡车边缘10 mm 左右停止。接着推车机推矿车进罐，矿车前轮毂抵住吸能阻缓冲而停止。井口信号房或手持遥控器再发出阻车信号，抱车锁定机构继续前进抱车，同时抱车锁定机构的拨叉此时开始脱离吸能阻，抱车锁定机构抱车到位停止。

若在自动提物位置，自动启动油泵，解锁阻车器和推车机，接着自动放下摇台和自动打开安全门。摇台和安全门均到位后，装卸车准备到位。装卸车和手动装卸车一样。手持遥控器也可显示装卸车到位信号（根据实际配置情况）。装车完毕，手动发出装卸车完成信号，3～5 s 后自动发出自动升起摇台和自动关闭安全门。自动或手动解锁信号打点系统，否则打点房不能给绞车房发运行（动罐）信号。

2.5 应急无线通信系统

应急无线通信系统由主服务器、麦克风、呼叫终端、无线网桥、网桥（定向）天线、音箱、路由器、网线等组成（图8）。

图8 应急无线通信系统

当绞车提升控制系统故障，罐笼提人恰好停在井筒中间位置不能运行时，应急无线通信系统可以通过A 呼叫终端呼叫罐笼里面的人员，声音信号为模拟音频信号，经过采集、量化、编码、压缩成数字音频信号，通过主服务器、D 网桥天线+无线网桥用高频信号作为载波发出无线电磁波信号；C 网桥天线+无线网桥无线接收到无线电磁波信号后，传给B 呼叫终端采样分析、解调、放大处理成音频信号给音箱，通过音箱发出声音，使罐笼里面的人员可以听到A 呼叫终端呼叫；罐笼里面的人员可以按B 呼叫终端上的“呼叫”按钮与A 呼叫终端人员对话；同样B 呼叫终端也可事先发出求救信号给A 呼叫终端。

平时B 呼叫终端+音箱可以当作音频播放器，用于安全宣传广播等。

主服务器、麦克风和A 呼叫终端安放在绞车房或调度室，音箱和B 呼叫终端放在罐笼里，C 网桥天线+无线网桥安装在罐笼顶部，D 网桥天线+无线网桥安装在井架过卷过放装置上部。

3 使用方法与注意事项

设备调试合格后方可投入正常使用。首次使用遥控功能时，首先打开遥控器上急停旋钮，操作方法是顺时针旋转急停旋钮，使旋钮弹起，然后按下遥控器上的“START”绿色按钮，进入遥控工作模式。在遥控工作模式可以操作对应的罐帘门关闭与开启按钮，控制罐帘门动作。

装卸大件物品时，由于大件物品可能超高，可拆下罐帘门门挡底部挡杆销轴，把上部其他挡杆抽出。然后遥控操作罐帘门开启，直至底部挡杆运行至传动机构位置，以便装卸大件物品。装卸工作完成后，再装入上部挡杆。

蓄电池更换方法：打开上盘内部安装的电源控制箱，拔下蓄电池与电控系统之间的电源插头，提出蓄电池后放入备用蓄电池，插入电源插头，蓄电池更换完成。

4 结束语

立井罐笼自锁式双向动力自动罐帘门在副井运行近一年时间，通过多次调试和改进，现已能够稳定运行，完全达到设计要求，并具有适应性强、安全可靠、自动化程度高等特点。首次将罐门、罐内阻车、应急通信、无线充电及危险识别进行一体化设计与智能控制，并实现与外部关联设备及系统的信息互联互通，符合立井罐笼提升系统智能化发展要求。开发的罐内危险识别技术和装备能识别人的危险状态，提高应急处置的及时性。采用定点智能无线充电方式，有效解决了电能供给难题。设计罐笼应急通信系统，用于异常状态下罐内乘员进行自救逃生。此外，应急通信系统还可用于罐笼检修的辅助，实现罐内与罐外的实时通信联络，保证检修作业的安全性。