一种机械式车载通信光缆放线装置的研制

2021-04-06高昌乐

陕西煤炭 2021年2期

高昌乐

(神东煤炭集团技术研究院，陕西神木 719315)

0 引言

煤矿井下巷道错乱、地质环境复杂、开采的难度逐年递增等问题极易发生安全事故，造成人员伤害和财产损失，如何快速有效地解救被困人员对煤矿安全生产有重要意义。井下事故发生后，如何与井下迅速建立通信联络、准确了解事故现场情况、时刻关注井下动态是重中之重，因此设计和建立有效的井下应急数据通信系统需求非常迫切，将成辊光缆展开并快速铺设到指定位置成了先行工作[1-3]。对于受损不太严重的煤矿巷道，可以采用车载方式快速布设光缆，提高光缆铺设效率，可以为井下救援赢得宝贵时间。

煤矿井下环境十分复杂多变，极易发生二次灾害，所以最好选择具备本安、无电气化设备的机械。现在各大煤矿实际运行过程中，并无此类装置，而宽带、通讯等普通光纤铺设一般采用施工人员手动铺设[4-6]。用车载铺设时，当遇到紧急情况急刹车时，光缆辊往往由于惯性会继续转动，将过多的光纤甩出，会发生相互缠绕、挤压折断等情况，影响正常使用[7-9]。针对目前现有技术中，光缆铺设需要靠车载设备和人工铺设，车载铺放急刹车时由于惯性作用导致的光缆辊会继续转动，将过多的光纤甩出并发生相互缠绕、挤压折断等问题，设计了一种矿用巷道车载光缆铺设装置及系统。

1 装置基本功能实现

1.1 客观需求

1.1.1 光缆随车行进的顺应释放需求

与手动铺设有所不同，采用车载方式进行光缆铺设，光缆辊只能够随着车辆的前行被动进行释放，同时隧道环境复杂，车辆行驶速度随时会发生变化，导致经常会执行启停动作[10-12]。因此该系统需要随时根据车辆的行驶状况作出调整，顺应性地进行光缆的释放作业。

1.1.2 光缆控制需求

光缆的张紧和松弛情况是光缆铺设的重要考虑因素，如果张力过大，会导致光缆受损，同时会增大车辆负载，引起布缆系统的破坏；如果光缆过于松弛，则会引起光缆浪费，同时增加回收的工作量，因此需要既能够将光缆的牵拉张力控制在合理范围内，同时又不影响光缆的正常收放。光缆铺设时甩出高度也应考虑，如果甩出高度过高，会阻碍其他工作人员操作，因此需要光缆的甩出高度低于限定值。

1.1.3 设备的简化操作问题

隧道及井下作业环境恶劣，照明及空间条件较差。在设备设计及操作使用方面，就要求操作简便，容易上手，尽可能减少工作压力，从而更多地将人力物力用于事故处理等主要工作方面。对于设备而言，需要实现光缆辊的快速更换安装，使操作者在较短时间内恢复放线作业。

1.1.4 设备可靠性和长期稳定性问题

对于井下应急设备，要求在复杂环境中也能够正常展开作业，见表1，同时能够保持良好的勤务性，设备性能可以长时间保持稳定。因此对于布缆系统，就要求设备随车操作时全程保持良好的工作状态，不能因设备自身原因出现意外故障。在较长存放期和必要维护工作下，设备随时可以调取使用。

表1 使用环境条件Table 1 Environmental conditions for use

1.2 设计思路

针对装置使用条件及功能需求分析，设计了一种机械式车载通信光缆铺设装置及系统，主要包含光缆盘线组件、放线组件、收线组件、支撑组件等组件，具体布局如图1所示。使用该装置可以完成复杂矿井环境下的通信用光缆铺设工作，能够适应高瓦斯、高粉尘等环境复杂多变的煤矿巷道，对收放线长度都能进行自由切换，采用纯机械设计，结构稳定，可以实现快速收放线。

图1 装置布局示意Fig.1 Schematic diagram of device layout

1.3 放线装置总体设计

1.3.1 装置结构及组成

车载通信光缆放线装置主要包括光缆盘线组件、放线组件、收线组件、支撑组件(含光缆通信组件和附件组件)，各组成部分之间的关系如图2所示，装置结构示意如图3所示。

图2 装置关系示意Fig.2 Schematic diagram of device relationship

图3 装置结构示意Fig.3 Schematic diagram of device structure

1.3.2 各组件的作用

光缆盘线组件主要包括光缆辊支架、光缆辊、提手、转动轴及光缆辊支撑机构等部件，主要用于缠绕待铺设光缆，根据光缆放线、收线需求进行人工操作。放线组件包括光缆辊驱动齿轮、过渡齿轮、阻尼器齿轮、光缆辊支撑板和阻尼系统等部件，在光缆盘线组件放线时，提供必要阻力，防止放线停止时由于惯性产生的多余放线情况。收线组件主要包括手柄、导轨、排线系统、收放线导向轮组和传动齿轮等部件，井字轮安装于角块斜面上，保证排线过程中光缆输出角度与井字轮中心位置垂直，在光缆盘线组件收线时，将收回的光缆整齐有序地排列于光缆辊上。附件组件主要包括主支架和防护罩，对光缆盘线组件、放线组件、收线组件于矿用巷道车支架上进行固定，同时可通过滑轨调整收线组件具体位置。通信组件主要包括光缆和光缆通断检测装置。

2 试验过程及分析

2.1 光缆的快速更换及收放线

光缆辊一体包含光缆辊架和光纤，安装时直接放入支撑板推入凹槽即可，更换快捷，节省大量换装的时间。放线时，将光纤经转向轮组甩至车尾，一端进行固定并连接通讯装置，放线装置切换至阻尼模式，车辆启动即可实现放线。当该辊光缆将要放完时，更换下一辊光缆。收线时，将光纤端头通过排线器井字轮中间缠绕固定在光缆辊上，通过摇柄转动光缆辊驱动齿轮转动，使得光缆辊转动实现收线，此时，光纤可整齐有序地排列在光缆辊上。

2.2 放线过程及效果

引入阻尼后，光缆辊转动就会有一定的扭矩，使得光纤外放时的拉伸力变大，为防止光纤出现断裂等意外情况影响使用，应当控制光纤拉力的大小，也就是将阻尼保持在一定范围内。应用拉力计分别测量光纤在无阻尼、有阻尼、加速、匀速等不同状态下所受的拉力值，结果见表2。

表2 不同状态下的光纤拉力值Table 2 Tension value of optical fiber in different states 单位：N

可以看出，光纤允许的拉伸力为600 N，均在范围内。当无阻尼时，车辆按既定速度前进，此时光纤开始铺设，当急刹车时，光缆辊由于惯性会继续转动，甩出多余的光纤，经测量，光纤多余量约3 m。当有阻尼(0.5 N·m)时，车辆按既定速度前进，此时光纤开始铺设，当急刹车时，光纤多余量约0.5 m。当有阻尼(1 N·m)时，车辆按既定速度前进，此时光纤开始铺设，当急刹车时光纤多余量约为0.2 m。由此可见，无阻尼时，光纤所受拉力很小，光纤多余量很大，不能满足使用要求。阻尼越大，光缆辊转动所需拉力越大，光纤承受的拉伸力越大，光纤多余量越少。有阻尼时能很好地解决车载铺放急刹车时由于惯性作用导致的光缆辊会继续转动，将过多的光纤甩出并发生相互缠绕、挤压折断等问题。经过综合考量，选用扭矩量值为0.5 N·m的阻尼较为合适。