双臂锚杆钻车自动卷缆装置设计*

仇卫建

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

双臂锚索锚杆钻车是履带式全液压两臂锚杆钻车，该钻车灵活机动，可以从掘进机或连采机错车进入空顶区域进行锚护作业，能够实现断面内顶板和侧帮全部锚杆的支护作业，每个作业循环就需要钻车与掘进机或连采机前进或后退错车两次，错车期间需要有专人进行电缆的收放工作，长期的人员和设备交叉作业，人工劳动强度大，且存在较大的安全隐患。为此我们开发了一款车载自动卷电缆装置，该装置具有高度集成、体积小、安装检修方便，配备自动排缆装置和满缆保护装置，具有自动收、放电缆和功能，实现了煤矿井下移动设备电缆的无人化管理，作业效率显著提高。本文主要介绍了自动卷缆装置的结构形式，以及设计过程。

1 总体布置

自动卷缆装置主要由卷缆仓、卷缆滚筒、排缆装置、满缆保护装置、电缆导向辊轮和卷缆马达组成，如图1所示。

卷缆装置传动图见图2。卷缆马达经一级链轮减速，带动卷缆滚筒卷缆。卷缆滚筒内装集电环，经空心轴与移动设备上的配电系统接通，空心轴固定不动，卷筒借助轴承在空心轴上旋转。电缆卷筒侧面的小链轮经过二级传动链条带动排缆装置的螺旋轴转动，通过排缆器带动电缆左右移动，实现自动排缆，卷缆马达转速的高低随车速的变化而变化，从而实现电缆的自动收放[2]。电缆导辊是为了减小电缆的收放阻力。满缆保护装置的作用是防止电缆缠绕到要求层数，触发急停按钮，使整机停机。

图1 总体布置

图2 传动图

2 设计计算

2.1 电缆截面选择

已知标定功率时，电缆截面面积可按式(1)计算。

(1)

式中：U为交流三相中两主相之间电压，U=380 V；μ为整个电缆长度两端压降，μ=0.5%Uv；P为输出功率，P=37 kW；γ为导电率，铜芯取56 m/Ω·mm2；l为电缆长度，接线盒至电机的电缆长度，l按设计值150 m估算。

按式(1)推倒计算可知电缆截面面积A=13.7 mm2。选取电缆型号为UCP3×16+1×10的双臂锚杆钻车电缆。

2.2 电缆张力计算

双臂锚杆钻车的电缆悬垂与受力情况如图3所示，以电缆与地面相切点为坐标原点，电缆悬垂部分为研究对象，则在托辊处电缆所受张力为T，悬挂部分电缆自重为G。

(2)

式中：ρ为电缆单位长度的重量，ρ=15.45 N/m；S为悬挂部分长度，m。

(3)

式中：x为托辊距地面的水平距离，x=1.04 m；h为托辊距地面的水平距离，h=0.64 m。

按式(2)与式(3)[1]推导计算电缆悬挂部分长度S=1.34 m,张力T=26 N。

图3 张力简图

2.3 电缆容量

电缆滚筒上可能缠绕的电缆总长度L，即卷筒的最大容缆量为：

L=πmn(2R+nd)

(4)

m=B/d

(5)

n=(Rmax-R)/d

(6)

式中：m为每层电缆圈数；B为卷筒内部宽度，B=485 mm；n为电缆层数；R为卷筒半径，R=240 mm；d为电缆外径，d=34.4 mm；Rmax为卷筒缠绕电缆时的最大半径，Rmax=425 mm。

按式(4)、式(5)、式(6)推导计算，L=158 m，满足设计要求。

2.4 排缆装置设计

排缆装置结构如图4所示，螺旋轴上带有两端闭合正反、双向螺旋沟槽，螺旋沟槽内设置一个滑块，当链轮带动螺旋轴转动时，带动槽内滑块左右移动，从而使电缆导向架与电缆在电缆滚筒上同步有序地整齐排列。

排缆装置的设计原则是保证滑块在螺旋轴上的移动速度恰好等于电缆在卷筒上的排缆速度。

(7)

式中：tb为螺旋轴的螺距，tb=35 mm；d为电缆的外径，d=34.4 mm；nR为滚筒转速，r/min；nb为螺旋轴转速，r/min；Z2为螺旋轴链轮齿数；Z1为滚筒小链轮齿数，Z1=13；x为修正值。

图4 总体布置

由于B/d=485/34.4=14.09，可知修正系数x=(14.09-14)×34.4÷14=0.22，带入式(7)计算结果Z2=13.14，取整Z2=13齿。

排缆机构设计时还必须保证电缆排到滚筒边缘最后一圈时，滑块恰好反向移动，因此必须满足滚筒内部宽度B与螺旋轴两端槽中心的长度L相匹配。即L=B-d-x。

3 系统原理

如图5所示为自动卷缆装置系统的液压原理图，其主要元件有二位三通液控换向阀、二位四通液控换向阀、溢流阀a、溢流阀b、卷缆马达、先导控制手柄、梭阀、油箱[3]。其工作过程为：双臂锚杆钻车前进时信号油源将二位三通液控换向阀切换至右侧位置，切断供油2，钻车行走时依靠电缆张力将电缆从滚筒内拖出，溢流阀b可根据现场情况调整压力值，调节电缆张力；钻车后退时二位三通液控换向阀复位，信号油源将二位四通液控换向阀切换至右侧位置，供油2驱动马达旋转带动卷缆滚筒自动收缩电缆，调节供油2液流大小来实现与机器同步；手动收电缆时，操纵先导控制手柄，将二位四通液控换向阀切换至右侧位置，供油2驱动马达旋转带动卷缆滚筒自动收缩电缆；如果先导控制手柄误操作的时候，系统压力升高，溢流阀a开启溢流，起到对系统保护的作用，前提是溢流阀a的设定压力要大于溢流阀b的调定压力。

1-二位三通液控换向阀;2-二位四通液控换向阀;3-溢流阀a;4-溢流阀b;5-卷缆马达;6-先导控制手柄;7-梭阀;8-油箱。

4 结论

矿用集成式自动卷电缆装置具体采用液压传动方式，具有同步性能好，利用液流大小来实现与机器同步，操作方便，收放时拉力可以调节，易于自控和维修等诸多优点，广泛配套在两臂锚杆钻车上，应用在内蒙古、山东、山西和新疆等矿区，现场使用效果较好，钻车行走自动放电缆，后退自动收电缆，实现了钻车电缆的自动化和无人化管理，得到用户一致好评。