掘进机结构及电控系统的设计

陈永丰

（阳泉煤业集团长沟煤矿有限责任公司机运部机电队， 山西 和顺 032700）

引言

目前国内具有较多型号的掘进机，大多数为重型以及中小型的掘进机，其中重型掘进机的代表有LH-3000、S200 以及 EBJ160 型号[1]；中小型掘进机代表有AM50和S100型号[2]。近年来，这些型号的掘进机维稳，很少在此基础上有较大的突破以及改进，面对快速发展的煤炭产业，已难以满足产业需求。因此，为满足市场对于掘进机的需求，研制一种截割功率在100～150 kW的掘进机，且具有较好的适应性、先进性、高效性以及可靠性。

1 掘进机结构的设计

该掘进机的主要运行功能包括截割、操作、装运、行走等，针对于具有各种形状断面的半煤岩或者井下煤的巷道，总装机的功率为242 kW，截割功率为132 kW，切割煤岩的硬度大致为60～70 MPa。当在确定位置截割时，截割宽度最大为5.24 m，截割高度最大为4 m。

该掘进机的电控系统通过可编程控制器（PLC）控制，可反映出如油箱的温度、截割的功率以及系统的压力等参数，这些均可通过液晶显示屏进行展现。为提高整个施工环境的安全，该掘进机配备有喷雾系统，可有效地抑制相关截割所产生的火花和粉尘。

该掘进机主要包括三大机构：截割、装运和行走；包括三大系统：水路、液压以及电气系统，三大机构和三大系统构成整个掘进机的设备装配，该掘进机的总体参数如表1所示。

1.1 主体部分

主体部分主要用于承载各个机构等部件，其上部主要安装截割机构，下部安装装运机构，刮板运输机安装在机架的内部，电气操作箱位于后左部，喷雾泵站位于后中部，传动部位于后右部，转载机架则为于主体部分的尾部。

表1 掘进机的总体参数

1.2 截割机构

截割机位于主体部分的回转台上，主要通过销轴和升降油缸进行连结。巷道的截割主要是依靠截割机通过一级的直齿和两级的行星减速，如此驱动截割头旋转，截割头直径选用相对较小；截割方式采用纵轴方向；截割功率为132 kW。在截割的运行过程中，可通过内部输送水至截割头部喷射出来水雾以达到降尘的目的。

1.3 装运机构

装运机构主要由两部分组成，包括装载部和运输部，分别位于主体部的下部以及主体部分。

1.4 行走机构

行走机构主要通过液压的马达进行驱动，位于主体部位的左右，通过一级的直齿和两级的行星减速，整个掘进动作的完成传递过程为动力传递至驱动的链轮，随后传递至履带，最后完成整个掘进机的前后、左右的行进运动。

1.5 电气系统

该电气系统主要由操纵箱、电气控制箱、照明灯、警铃等组成部分构成[3]。供电电压为660 V或者1 140 V，液晶屏可实时反映工况以及相关工况参数，整个回路由PLC控制，安全可靠。

1.6 液压系统

液压系统的压力选择为16 MPa,供油主要通过三联齿轮泵进行，采用直动和先导式两种控制方式。

1.7 喷雾冷却系统

该系统主要保证整个截割过程的安全性，主要的运行回路包括内喷雾、外喷雾以及冷却水构成，主要抑制整个施工环境中的火花和粉尘。

2 电控系统的设计

掘进机的电控系统组成部分主要包括电控箱、操纵箱以及电器元件，如图1所示。整个电控系统运行的数据采集过程主要通过电流、温度传感器以及电压互感器将信号传至于电流、电压以及温度变送器，随之利用模块可将模拟信号转换为数字信号，最终传至PLC，通过分析数据，使得PLC作出指令。

图1 电控系统组成部分

本文主要开发一种适用于切割煤以及应用于半煤岩巷道的掘进机，该机型符合目前国内的市场要求。针对该掘进机的电控系统采用可编程控制器（PLC）作为控制的核心，该控制回路的主电源为本安型电源；利用电压变送器和电流互感器，将原本的模拟信号转化成数字信号，整个电路为数字电路；设置相关的语音报警装置，当掘进机在开始启动以及行走过程中有语音报警提示；所采用的通讯方式为串行接口。

2.1 温控电路

当截割电动机以及油泵的设备组成部分发生故障，比如在设备开始启动、机械传动以及超负荷运行过程中，这些故障极易引起绕组发热。如若该部分的温度大于电机自身部分能够承受的温度时，结果则导致电动机烧坏事故。为避免电动机温度过高，引发事故，设计出相关的温控电路。设置出R1、R2、R3以及三个热敏电阻组成分压器。当存在一个过热的绕组时，其相邻的热敏电阻阻值急速增大，这一现象使得分压点的电压达到最高电压值，导通电路中的VT1通道，导通VS通道，中断单片机，最终可通过回路控制使得电机断电，整个回路安全可靠。

2.2 语音系统

语音系统主要位于电控箱的内部，通过将启动的信号传送到语言合成板或者传送至控制电路中，按照操作者所按下的运行指令，发出该指令对应的语言提示。例如，当操作者按下标有“启动”键的指令时，随之发出“请注意！掘进准备开始启动”的提示，整个操作过程简单便捷。

本部分主要设计出语音系统软件，所设计出的语音系统软件首先可产生的采样频率为10 Hz，再者可压缩储存所采集的数字量，其中所采用的压缩处理方法被称为“状态计数法”，例如，对于一个数值连续出现128次，只需要采集一个字节。此种方法方便快捷，同时也设计出相应软件程序来满足语音功能。

2.3 数据通讯

通常掘进机的工作过程为司机通过操作箱作出操作指令，随后传送至电控箱，电控箱根据指令要求调控于具体设备。传统的操作箱将信号传送至电控箱时，需要20多根导线进行连接，如若将信号进行反馈，则需要多至30根导线进行连接。过多的连线不仅加大了这个设备的整体体积，同时，在掘进机进行施工过程中，也加重了安全隐患。因此，本部分主要设计出计算机通讯条件来进行信号的传送与反馈，同时，设计相应的软件程序可完成计算机通讯。

3 应用评价

对该掘进机结构以及电控系统进行设计，主要达成以下特点：截割方式采用纵轴方向，具有较大的截割功率，高效率；截割头选用的直径相对较小，具有合理的布局结构，高稳定性；配备有内外喷雾系统，有着良好的施工环境；电控系统选择供电电压为660 V或者1 140 V，液晶屏可实时反映工况以及相关工况参数，整个回路由PLC控制，安全可靠。

将该设计配备有的该掘进机应用于某设备制造厂完成了首批试制；并将该设备送至检测设备厂完成检测；最后应用于某矿进行工业的试验。整个试验结果表明，改进后的掘进机整体设计合理、结构紧凑、可操作性强。