露天矿电铲尾线电缆收放车及使用效果

王治国

（国能北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

当前露天开采在中国煤炭开采中的地位不断上升，生产规模与体量也已远超美国、澳大利亚等世界发达国家（美国2017 年露天原煤产量约为4.5亿t，澳大利亚2016 年露天原煤产量约4.2 亿t）[1]，截至2020 年12 月底，我国共有露天煤矿376 处、产能9.5 亿t/a，数量占全国的8%、产能占全国的17.8%。随着国内外装备业的快速发展，我国露天煤矿适时引进高效、大型设备，大幅提高了煤矿产能水平[2]，大型电铲是露天煤矿采剥不可或缺的采掘设备，大型土木工程施工中，电铲也是常用设备。

电铲依赖通过电缆输送的高压电作为动力源，采用电铲生产的露天矿在生产推进过程中，需要不断对电铲尾线电缆进行调整[3]，电铲在作业过程中均采用地面拖拽电缆方式。由于高压电缆所处的运行环境状况不佳，较为恶劣，导致环境条件对这类电缆运行安全性、质量可靠性等造成了不同程度的影响[4]，且通过地面拖行来移设高压供电电缆，存在2 个方面的潜在不安全因素：①电缆经常在地面拖行会造成电缆破损、漏电，引发事故；②电缆完全暴露地面，由于出现意外状况会受到现场工程车辆的碾压（曾发生过类似的事故）和边坡石块滚落砸压而破损，进而引发事故。因此，为了保障生产和人机安全，通过技术改进、优化处置，提出对电铲高压供电电缆置放与移动的新方式，并与合作单位创新研发出国内首台电铲尾线电缆收放车（以下简称电缆收放车）。通过实践证明该设备具有以下优点：①性能稳定可靠；②保证电缆不落地、不再拖行，克服了传统电缆置放与移动模式的不足；③电铲与该设备能够合理配合、协调运行，提高了生产效率。

1 电缆收放车

传统的地面移动机构主要有轮式移动机构、履带式移动机构、仿生足式移动机构。通过对比3 种传统的地面移动机构发现：轮式移动机构结构简单、控制简单，但是越障能力差，适于在平坦路面上移动；仿生足式移动机构越障能力强，但机械结构复杂、控制繁琐同时需要布置较多的传感器；履带式移动机构有一定的越障能力，控制结构较仿生足式移动机构要简单[5]。依据现场工作环境、电缆收放车移动距离等实际因素，同时结合履带式移动机构的接地比压大、牵引力大，在复杂地形环境中具有强大的通过能力与适应能力，国能北电胜利能源有限公司决定电缆收放车的底盘装置采用履带式移动机构。

1.1 电缆收放车主要结构

电缆收放车包括行走、平台、机房、安全围栏、收放线装置、电控系统、距离检测防拽器、电缆支撑架等。电缆收放车右侧透视图如图1。

1）行走总成。主要由行走电机、行走减速机、驱动轮、履带架、支重轮、履带链、张紧总成、引导轮总成等部分组成。行走电机通过行走减速机及驱动轮带动履带链实现行走功能。

2）平台总成。平台总成位于行走总成上部，与行走履带由连接座相连。

3）机房总成。平台总成上部前侧装有机房，机房内部装有变压器柜、高压开关柜和低压电控柜；后侧装有放线总成；右侧装有高压分线箱；右前侧装有电缆支撑架及距离检测防拽器；平台两侧装有围栏及人梯。机房具有防尘防水功能，机房顶部安装有空调和报警指示灯。

4）围栏总成。包括左侧前围栏、左侧后围栏、右侧前围栏、右侧后围栏和竖直梯。围栏采用无缝钢管焊接而成，牢固可靠。围栏和竖直梯通过螺栓和平台连接，可方便拆卸。

5）放线总成。主要由放线支架、卷筒机构、张紧链轮组、减速转向链轮组、摆线导向装置、导向链组、导向链轮组和护罩等部件组成。其中，卷筒机构主要由固定轴座、卷筒体、高压电滑环、驱动轴座、减速机座和力矩电机减速机组组成，放线总成通过卷筒机构中的高压电滑环，将外部的高压电引入到设备上的高压分线箱中，其中1 路电由25～30 m 电缆经电铲尾部耦合器进入电铲内部供电铲工作使用，另1路电供放线车本身的电气系统使用。放线总成如图2。卷筒机构如图3。

图2 放线总成

图3 卷筒机构

6）电控系统总成。由电滑环、高压分线箱、高压开关柜、变压器柜、低压电控柜、遥控器、防爆电铃、防爆急停按钮、防爆组合声光报警器、防爆旋转式声光报警器、空调、各电机、各传感器等组成。行走及卷放缆有无线遥控与平台手柄2 种操作方式。

7）距离检测防拽器。主要由安装架、缓冲器总成、导向筒、拉杆、压块、圆环链、行程开关和电铲端链条固定器组成，距离检测防拽器主要用于保证电铲尾线电缆收放车和电铲之间的电缆不被拉扯。距离检测防拽器安装于电铲尾线电缆收放车前端平台上，电铲端链条固定器安装于电铲尾端电缆支撑架上，距离检测防拽器和电铲端链条固定器之间用圆环链连接，长度小于电缆长度，当电铲行走时，操作工人未及时操作电铲尾线电缆收放车跟随，导致电铲和电铲尾线电缆收放车之间的距离超出预定距离，此时圆环链被拉直，距离检测防拽器的缓冲弹簧被压缩，缓冲器尾板触碰到行程开关，机房顶部的旋转式报警器报警，提示操作人员停止电铲行走或及时操作电铲尾线电缆收放车跟随行走。距离检测防拽器和电铲端链条固定器如图4。

图4 距离检测防拽器和电铲端链条固定器

8）电缆支撑架。主要由支架座、销轴、支臂和电缆夹等组成。电缆支撑架主要用于支撑高压电缆。电缆支撑架如图5。

图5 电缆支撑架

9）润滑系统总成。包括行走减速机、放线总成减速机、各轴承座的润滑。

1.2 使用环境条件

国能北电胜利能源公司胜利一号露天矿位于锡林浩特市北郊5 km 处，海拔1 000 m 左右。根据锡林郭勒盟气象部门提供的资料，锡林浩特市属内蒙古北部干旱高寒地区，无霜期短，降雨量小，是典型的温带大陆性气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短暂，春季干旱多大风[6]。年平均气温1.9 ℃，气温的年较差和日较差很大，霜冻期从每年9 月末至第2 年的5 月初，无霜期仅为130 d。通过在国能北电胜利能源公司胜利一号露天矿的实际应用，电缆收放车在下列条件下可以正常使用：①海拔高度不超过2 000 m；②环境温度为－40～40 ℃；③坡度不超过14°；④露天矿表面凹凸不平、多尘或泥泞的非等级道路；⑤风力低于7 级。

1.3 安全保护

为了生产和经济效益的提高，电缆收放车的安全性就显得尤为重要，通过近些年的机械伤害的分析，影响机械设备安全的因素主要有人为操作和设备。安全管理的定义是为实现安全目标而进行的一系列的设计、组织、决策活动[7]，针对电缆收放车的使用情况，国能北电胜利能源有限公司综合运用现代的管理理论和手段，对存在的不安全因素进行排查，在配备常用安全保护的前提下，要求合作单位在电缆收放车的设计中具有下列安全保护性能：①启动报警装置和前后照明灯；②电铲车上留有紧急停车遥控器；③电缆车与电铲极限距离报警和电缆防拽保护装置；④行走制动保护装置；⑤紧急停车装置。

2 电缆收放车特点

1）行走履带架采用高强度钢板焊接的箱型结构，结构刚性好，可靠性高。

2）行走总成采用知名品牌的电机和减速机，配有制动装置，坡道制动可靠，电机配有PTC 热敏电阻用于报警和跳闸。

3）平台总成采用高强度H 型钢焊接而成，结构刚性好，受力变形量小，承载能力强。

4）机房总成采用标准矩形和方形管材焊接而成，防尘防水，造型简洁美观。

5）放线总成采用力矩电机带减速机驱动卷缆卷筒正反向旋转，电缆卷筒转动和布线装置采用传动链条驱动的联动设计，高压电滑环及绝缘子耐压等级高于国家标准要求。

6）整机设置距离检测电缆防拽器，防止超距扯断电缆。

7）电气系统保护齐全，高压开关柜装机容量富裕，耐压等级高于国家标准要求。

8）行走、卷缆动作具有遥控控制或车上有线手柄操作2 种操作方式，整机重心低，稳定性好。

3 电缆收放车功能与工作流程

电缆收放车作为移动式的高压电源为其他设备进行供电，比较适合用于收放电缆，和电铲配合作业，该产品完全可以用于使用电铲作业的工程场所，尤其适合在露天矿山使用[8]。

1）将电缆逐层依次卷缠于卷筒上，电铲尾线电缆收放车置于电铲后适当位置处，一端经过摆线导向装置连接于电铲，另一端接入电源。

2）在电铲作业过程中，在遥控控制器或车上手柄操作控制下，收放车有机地配合电铲向前、退后、向左、向右移动，也可通过电缆放开伸长或回卷缩短；使电缆始终保持合理长度而不再落地、不再在地面拖拽。

3）电铲转场作业，收放车跟随电铲行走，也可断开电铲收放车之间的电缆连接机构，单独行走，达到新的作业面，重新连接电缆，开始工作。

4 结语

露天矿山以及大型的土木工程在实施作业时主要采用的设备之一就是电铲。在施工过程中，电铲主要用到直接拖拽、后置爬犁、后置卷缆3 种方式将尾线电缆进行移动和收放，这3 种方式均有不同程度的安全隐患，国能北电胜利能源有限公司研制出的国内第1 台电缆收放车充分考虑了现场的安全使用与生产效率的提高，具有一定的社会效益。

1）传统的电铲尾线电缆在地面上置放与拖拽移动方式存在极大的安全隐患，以往避免出现安全性问题的措施是采用耐磨、抗拉和抗弯折的高强度和高韧性的电缆。一方面并不能从根本上杜绝诸如破损漏电而导致安全事故的发生；另一方面也不能避免电缆在地面上受到工程车辆的意外碾压而引发事故。

2）电缆收放车与电铲在保持合理有效的间距条件下，既可实时跟随电铲前后左右移动、又能伸放或收卷电缆，可使电缆尾线不再落地、不再拖拽移动，有效地保证了电铲安全作业，提高了效率。具有以下主要创新点：①收放车可由地面控制器或车上手柄控制履带式行走，方便灵活；②电缆卷筒通过摆线导向装置，可使电缆逐层顺次缠绕于卷筒，不会出现卡顿和猛拽现象；③距离检测防拽器保证电铲尾线电缆收放车和电铲之间的电缆不被拉扯而出现破损和断裂现象，安全性能好；④行走制动保护装置与警示装置、紧急停车装置和防侧翻装置等安全设施齐备，进一步增强了该车的安全可靠性。

3）该装置为其他矿山的安全、高效生产提供先进经验，电缆收放车是针对露天煤矿研制的电铲辅助作业设备，采取履带式行走方式。该型电缆收放车完全可以衍生出多种型号，以适应大型土木工程施工、采用高压电作为动力源的大型移动设备，以及采用胶轮式行走方式。