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★ 科技与工程 ★

8.8 m超大采高综采面机电安装成套设备研发和应用

刘建良 赵 波

(国家能源集团神东煤炭集团开拓准备中心,陕西省榆林市,719315)

摘 要 为了适应超大采高综采面对管线安装高度、安装速度的要求,国家能源集团神东煤炭集团通过对超大采高工作面管线安装工艺、安装方式、安装速度的深入调研和分析,重新开发并应用了管道切割除锈刷漆一体机、管道自动焊接机、防爆管道吊运车、防爆预埋孔钻车、防爆升降平台车、防爆管道抓举车6种机电安装特种作业装备,详细介绍了6种装备的主要技术参数、结构组成与工作原理以及应用情况及效果。通过在国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿的实际应用表明,6种装备实现了超大采高工作面的管线的快速安装,保障了超大采高智能综采面的正常接续,取得了良好的应用效果。

关键词 8.8 m超大采高 智能综采面 机电安装 成套设备 快速安装

管线安装一般主要有焊接、除锈刷漆、装卸运输、打预埋孔、安装预埋件、安装管道6个工序,一般的作业方式如下:管道法兰或管道对接焊接采用手工电弧焊,除锈刷漆采用手工除锈和刷漆,装卸运输采用人工装卸板车运输,打预埋孔采用电钻或液压钻人工打眼,安装预埋件采用自制平台登高并人工推移平台,安装管道采用手拉吊链起吊并人工推移就位。管线安装这6个工序普遍存在作业效率低、劳动强度大、职业健康危害大、作业安全风险高、质量无法保证等缺点。

国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿四盘区的煤层厚度在7.95~9.25 m之间,平均厚度可达9.11 m,属于特厚煤层,煤层倾角为1°~3°,属较稳定煤层。经过科学论证,神东公司决定在上湾煤矿上马8.8 m超大采高智能综采工作面。这一项目成为目前世界上一次采全高最高、单面产量最大、自动化回采率最高的综采工作面。然而随之而来的是对综采面配套各系统的管道、缆线的安装方式及安装高度也发生了变化。超大采高综采面安装时所使用的特种车辆最宽为4.5 m,最高为3.2 m,所以要求工作面辅助运输巷内各系统管道及缆线最低安装高度不得低于3.5 m,传统的安装方式和安装设备已无法满足超大采高综采面管线安装高度的要求。

神东矿区采掘工作面机械化、自动化、信息化水平不断提升,采掘速度也不断提高,然而与采掘工作面配套的供风、供排水、供电、注浆、注氮等系统的管线安装仍采用手工焊接刷漆、人工装卸、手动打眼、人拉肩扛的安装方式,这种安装方式速度较慢,因此影响了采掘工作面的配套安装进度。基于此,根据管线安装工序和超大采高工作面的特点,经现场调研论证,研发了管道切割除锈刷漆一体机、管道自动焊接机、防爆管道吊运车、防爆预埋孔钻车、防爆升降平台车、防爆管道抓举车等机电安装成套设备,以满足不同高度、不同安装条件的管线安装,解决超大采高综采面管线安装高度高、配套管线安装速度慢的难题,从而达到提高安装速度、提升安装效率、保证作业安全、降低劳动强度、提升经济效益“上装备、保安全、提效益”的目的。

1 管道切割除锈刷漆一体机的研发及应用

管道切割除锈刷漆一体机主要是实现管道切割、除锈、刷漆的机械化作业,避免人工除锈刷漆带来的职业健康危害和环境污染[1],不仅可以降低员工的劳动强度,而且可以提高作业效率。

1.1 主要技术参数

管道切割除锈喷漆一体机主要技术参数如下:结构尺寸为1500 mm×700 mm×1820 mm,适用管道长度为5000~6000 mm,适应管道直径为100~400 mm,切割管道壁厚度为≤20 mm,喷漆厚度为80 m,喷漆供气压力为0.4~0.6 MPa,噪声(声压级)为80 dB(A),系统工作电压为380 V,主机行走驱动电机功率为5.5 kW,液压泵站电机功率为11 kW,除锈轮电机功率为7.5 kW。

1.2 结构组成与工作原理

管道切割除锈喷漆一体机主要由管道固定支座及管道旋转驱动机构、移动支座、行走主机、工作臂、上下料机构、控制箱、管道中间支撑架以及行走轨道等组成,其总体结构如图1所示。

图1 管道切割除锈喷漆一体机总体结构

1.2.1 固定支座及管道旋转驱动机构

固定支座的功能一是在处理管道时支撑管道的一端,起到固定张紧管道的作用,二是安装驱动管道旋转的传动机构,使管道在处理过程中处于旋转状态[2]。管道旋转驱动电机布置在支座箱体内。固定支座及管道旋转驱动机构如图2所示。

1.2.2 移动支座

移动支座的功能是支撑管道并且可根据管道长度在轨道上来回移动,在处理管道时要起到张紧管道的作用,主要包括的机构有管道卡具、管道升降平台、支座移动驱动机构等。

图2 固定支座及管道旋转驱动机构

1.2.3 行走主机

行走主机的功能主要是搭载除锈切割以及喷

漆部件的工作臂行走,主要结构包括行走驱动机构以及工作臂的连接机构。为了满足适应不同直径管道的处理,主机行走采用无级调速技术。根据管道在处理时的布置情况,工作臂铰接与行走在主机的一侧。

1.2.4 工作臂

工作臂主要安装除锈钢丝轮、等离子切割头和油漆喷头,采用箱式结构,将除锈钢丝轮、等离子切割头以及油漆喷头安装于工作臂前部,后部为除尘装置,整个工作臂铰接与行走在主机上。工作臂结构如图3所示。

图3 工作臂结构

1.2.5 上下料机构

上下料装置由铰接臂和控制油缸组成,工作时将管道放置在铰接臂的前端,伸出控制油缸,当管道升到与升降平台同高度时,将管道滚到升降平台,再由升降平台将管道升高到与管道驱动旋转卡具同等的高度。

1.2.6 控制箱

整套设备的电气、液压泵站以及液压控制部分全部集中在控制箱内,控制箱为箱式结构,共分为3个空间,前部下半部分为电气控制空间,前部上半部分为操作手柄、按钮以及开关等,后半部分为液压泵站与液压控制阀空间。

1.3 应用情况及效果

2016年6月,道切割除锈刷漆一体机在上湾煤矿安装后进行了应用,DN100管道除锈刷漆共计4500根。在该设备未使用前,平均每班4名人员给DN100管道手工除锈刷漆,可以完成60根,人工工效为15根/人·班。使用该设备后,每班需2名作业人员,每班平均处理96根管道,人工工效为48根/人·班,该设备的人工工效是手工除锈刷漆的320%,且具有省人、省力、安全可靠、作业效率高等优点,可避免有害粉尘和有害气体对员工健康的职业危害和环境污染。

2 管道自动焊接机的研发及应用

煤矿机电安装中需要大量焊接各种管径的铁质管道,管道焊接有管道-法兰焊接与管道-管道焊接,无论是管道-法兰焊接还是管道-管道焊接都因为焊材是圆周而非是平面,在焊接中包含了平焊、立焊、仰焊等多种焊接技术,目前主要以人工焊接为主[3]。尤其是需要管道现场焊接对接,由人工完成焊接时效率更低,因此管道-法兰焊接和管道-管道焊接影响着管道工程的安装速度。因此研发管道自动焊接机,既可以完成管道-法兰焊接又可以完成管道-管道焊接的专用设备,以取代人工焊接。

2.1 主要技术参数

管道自动焊接机主要技术参数如下:焊接管道直径为150~800 mm,管壁厚度为6~20 mm,供电电压为380/660 V,送丝方式为自动,焊接方式为自动/手动,控制方式为无线遥控,无线遥控最小有效距离为50 m。

2.2 结构组成与工作原理

管道自动焊接机主要由焊接行走小车、焊接电源、焊接送丝装置、自动控制系统4部分组成,如图4所示。

图4 管道自动焊接机组成

2.2.1 焊接行走小车

为了提高焊接效率,便于现场操作,焊接行走小车采用了磁性轮无轨式行走型式[4]。焊接行走小车主要由小车车体、左右摆动臂、上下调节臂、永磁式行走轮、法兰焊接工装等5部分组成。永磁式行走轮由直流电机驱动可以实现围绕管道360°连续行走,左右摆动臂用于控制不同宽度焊缝时焊枪的摆动速度、摆动幅度、两端停留时间等,上下调节臂用于调节焊枪与焊接木材之间的距离,法兰焊接工装可以实现在焊接法兰时调节焊枪角度的作用。同时焊接行走小车集成了自动化控制收发系统,既可以接收自动控制系统发出的指令,将指令传给焊接电源和送丝机实现自动调节焊接电流与送丝速度,又可以将当前数据参数传给自动控制系统。

2.2.2 焊接电源

选用芬兰KEMPPI公司的HiArc M 500 A焊机作为焊接电源,该焊机具有无论电源电压如何波动,都可保证焊接输出的稳定性、可调节性以及引弧可靠性。在焊接前和焊接期间,可远距离调节焊接参数的,并能很好地兼容自动化控制系统。

2.2.3 自动送丝机

在焊接工艺方面,对各种工艺进行了比较,确定了实心焊丝气体保护焊与药芯焊丝气体保护焊的焊接工艺[5]。为了减少焊接小车的体积和负载、提高小车的行走平稳度以及提高焊接质量,送丝方式采用推送式。选用KEMPPI公司的HF 10P送丝机,该送丝机使用直径为0.8~1.6 mm的填充焊丝,焊丝盘最大直径为300 mm,送丝速度为0~21 m/min,可实现与焊接电源、焊接行走小车及自动化控制系统的完美匹配。

2.2.4 自动控制系统

焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接小车的行走速度、送丝速度、焊枪的左右摆动速度、焊枪摆动到两端的停留时间等[6],在焊接过程中,由于焊点位置的不同,要求在整个环缝焊接过程中对焊接工艺参数要时刻进行控制与调整[7]。自动控制系统控制原理为:首先对管道不同位置的焊点焊接工艺参数进行试验测试,然后拟合各焊接工艺参数沿全位置的变化曲线,在焊接过程中,由焊接小车的位置检测器检测其位置,根据拟合曲线在该位置的焊接工艺参数进行程序自动控制,而对焊缝出现左右偏差或者当焊接环境的温度和风速发生变化时由人工遥控方式进行调整,弥补无焊缝跟踪功能的不足,以达到满意的焊接质量。

2.3 应用情况及效果

2017年11月,管道自动焊接机在上湾煤矿安装一队进行了应用,从直径150 ~500 mm的管道进行了管道对接环缝全位置自动焊接和管道法兰焊接,焊接效果非常理想。累计焊接600余条焊缝,焊接法兰的效率是人工焊接的150%,管道对接环缝焊接的效率是人工焊接的300%,管道自动焊接机的综合效率是人工环节的200%,且焊缝质量高、成型好且外形美观。对焊缝进行剖面检查可见,焊缝剖面均匀、无任何焊接缺陷,焊缝质量按照X射线探伤Ⅱ级检测,合格率达到99%以上。管道自动焊接机重量轻、操作简便,只需进行短暂的技术培训,就能操作该套设备,便于推广使用。

3 防爆管道吊运车研发及应用

煤矿管道一般采用人工搬运或手拉葫芦起吊的装车方式,存在占用人员多、装卸效率低、安全风险高、劳动强度大等缺点。特别是较大管径管道单根重量超过350 kg,人工搬抬困难,手拉葫芦起吊工序繁琐、效率极低,作业安全无法保障。防爆管道吊运车是实现管道的机械装卸和机械运输的一体化专用装备,替代了原有的老式管道装卸方式。

3.1 主要技术参数

防爆管道吊运车主要技术参数如下:外形尺寸(长×宽×高)为9835 mm×1960 mm×2300 mm,额定载重量为5 kg,最小转弯半径为8620 mm,最大爬坡能力为14°,最大行走速度为30 km/h,最大起吊重量为3.2 t,最大起升高度为7100 mm,折叠状态高度为1630 mm,回转角度为330°,驱动方式为两驱,停车制动为弹簧制动、液压松闸,工作制动为静压+多盘湿式制动。

3.2 结构组成与工作原理

防爆管道吊运车主要由机架及车厢、随车吊机、液压系统、电气系统等4部分组成,其整体侧视图如图5所示。

图5 防爆管道吊运车整体侧视图

3.2.1 机架及车厢

防爆吊运车是在原防爆牵引车底盘上加装吊运装置,为了布置吊机,将四轮驱动改为两轮驱动,后机架、车厢、液压系统、电气系统、驱动方式做了重新设计,使其能满足吊机安装后的各项性能参数。吊机安装在后机架上,并配置两只支撑腿,支撑腿安装在后机架上以增加设备的抓地宽度和稳定性[8]

3.2.2 随车吊机

随车吊机安装在后机架上,随车吊机选用了进口吊机,起重臂系统由内臂和液压伸缩臂两部分组成。在起吊货物时,先将两只支撑腿支撑于地面上,通过操作吊机的控制阀来启动吊机起重臂的液压举升、伸缩及回转系统,从而实现了货物的升降、吊运、回转。在起吊货物时应使用尽可能短的吊臂,保证起吊安全性。同时可在吊臂末端加装自制模具,可以实现管道、电缆的托举,实现吊机的功能扩展。

3.2.3 液压系统

整车采用2套独立的液压系统,一套供机车液压驱动及车辆转向使用,一套供随车吊机使用,在满足吊机的吊装动作外预留一路液压接口回路,供液压钻或液压扳手使用。

3.2.4 电气系统

本车电气系统主要用于机车保护、电源自锁、启动、熄火控制电路、照明和信号提示, 主要由发电机、调节器、控制按钮、钥匙开关、MCDX-III 电源、电磁气阀(启动)、照明开关、照明灯、信号灯、倒车报警装置、矿用柴油机车保护监控仪(系统)等设备组成。

3.3 应用情况及效果

2017年5月开始,防爆吊运车在上湾煤矿安装一队进行了应用,吊运DN273管道共计1650根。使用防爆运输车和防爆管道吊运车分别拉运DN273管道,每车拉运12根,防爆运输车采用顶板锚索挂吊链起吊管道的传统装管方式,每班需4人,每班拉运2趟,人均装运工效为6根/人·班;防爆管道吊运车随车吊装管道,每班2人,每班拉运3趟,人均装运工效为18根/人·班,防爆管道吊运车的装运工效是防爆运输车的300%。与传统的装卸方式比较,使用防爆管道吊运车作业效率更高,且机械吊装比人员搬运或手拉葫芦吊装安全风险小、人员劳动强度低。

4 防爆预埋孔钻车研发及应用

管线预埋孔的间距一般为1000~5000 mm,孔径小于50 mm一般采用人工手持电钻、风钻或液压钻的钻孔方式,深度为300~1500 mm,预埋件主要为锚杆或螺纹钢;孔径大于50 mm一般采用人工手持水钻的钻孔方式,深度为500~1000 mm,预埋件主要为槽钢。掘进工作面支护所用的两臂锚杆机虽然钻孔效率高,因设备笨重履带行走移动速度慢,且需频繁接电,无法应用到管线预埋孔的施工。此外,管线预埋孔施工所采用的手持钻机的钻孔方式辅助作业量大、劳动强度大、粉尘和噪音大、安全风险大且作业效率低,尤其是大孔径预埋孔施工采用手持水钻钻孔钻进难度大,需2人同时协同推进,钻孔效率更低。防爆预埋孔钻车改变了原有的手持式钻孔方式,实现了管线预埋孔的机械钻孔,即可打顶眼,也可打帮孔和底孔,即可钻小孔,也可钻大孔,且自行移动快速、灵活。

4.1 主要技术参数

防爆预埋孔钻车主要技术参数如下:外形尺寸(长×宽×高)为8100 mm×1960 mm×2200 mm,最小离地间隙为215 mm,打孔直径为18~180 mm,侧帮打孔高度为200~4800 mm,工作范围(宽×高)为5500 mm×4000 mm,驱动方式为四驱,停车制动为弹簧制动、液压松闸,工作制动为静压+多盘湿式制动,推进方式为油缸,推进行程为1700 mm,推进速度为10000 mm/min(可调),空载返回速度为20000 mm/min(可调),额定转速为500/1000 mm/min,额定压力为18 MPa,回转支承旋转角度为±30°,工作平台高度范围为1200~2000 mm,打钻机构左右旋转角度为180°,打钻机构前后旋转角度为180°,打钻机构滑动行程为2300 mm。

4.2 结构组成与工作原理

防爆预埋孔钻车由钻臂、升降机构、打钻机构、操作平台、动力系统、机架及车厢、传动系统、液压系统、电气系统等9部分构成,其整体侧视图如图6所示。

图6 防爆预埋孔钻车整体侧视图

4.2.1 钻臂

钻臂机构一端通过回转支撑与后机架连接,另一端通过三角架与升降机构连接。主要由钻臂、钻臂支承杆、各种油缸等部分组成。其主要动作功能有:臂身上下升降 45°;臂身±15°角向外回转;钻臂方筒整体前后伸缩 500 mm;钻臂回转座整体前后伸缩 500 mm。

4.2.2 升降机构

升降机构可以翻转,通过与钻臂连接的三角架,实现水平前后移动和竖直上下移动,升降行程为2300 mm,保证在钻孔时水平和竖直方向的孔都能在一条直线上,提高钻孔作业的标准化程度。

4.2.3 打钻机构

打钻机构通过 2 个旋转油缸与升降机构连接,可以上下前后、左右各 180°的旋转,结构紧凑、灵活。打钻机构还有瞄准装置,防止在钻孔作业时钻头跑偏[9]

4.2.4 操作平台

钻车设有可升降的操作平台,适应在不同高度的钻孔作业,操作平台由料斗、 操作台、升降机构构成。

4.2.5 动力系统

动力系统由柴油机、废气处理箱、废气波纹管、进气波纹管、进气箱、水油散热器、空气滤清器等组成。

4.2.6 机架及车厢

车架主要是由前机架和后机架两大部件铰接组成。前、后机架可作左右各37°的相对摆转,车辆随转向油缸的伸缩实现转向。前机架是各主要元部件的安装基础,并设置敞开式驾驶室。前驱动桥通过钢板弹簧悬挂在前机架上,以实现减振。后机架主要承载升降平台、钻臂打钻机构等,后驱动桥通过钢板悬挂在后机架上。

4.2.7 传动系统

本车传动方式采用液力机械传动,前、后桥四轮驱动。传动系统由柴油机、变矩器、变速箱、前后传动轴和驱动桥等组成。

4.2.8 液压系统

预埋孔钻车各动作机构为全液压动力驱动,液压系统由转向、制动及打钻液压系统3部分组成。

4.2.9 电气系统

本车电气系统主要用于机车保护、电源自锁、启动、熄火控制电路、照明和信号提示。

主要由发电机、调节器、控制按钮、钥匙开关、MCDX-III 电源、电磁气阀(启动)、照明开关、照明灯、信号灯、倒车报警装置、矿用柴油机车保护监控仪(系统)、工作观察影像等设备组成。

4.3 应用情况及效果

2018年1月,安装一队在上湾煤矿1~2煤四盘区支架专用巷应用防爆预埋孔钻车。共施工Φ42 mm钻孔10400个,平均每班施工140个;施工Φ160 mm、深600 mm的预埋孔2160个,平均每班施工30个。采用防爆预埋孔钻车需2名作业人员,每班施工Φ42 mm钻孔140个,人均工效为70个/人·班;每班施工Φ160 mm钻孔30个,人均工效为15个/人·班。采用手持式液压钻打眼需3名作业人员,每班施工Φ42 mm钻孔90个,人均工效为30个/人·班;采用手持式水钻钻孔需3名作业人员,每班施工Φ160钻孔12个,人均工效4个/人·班。施工Φ42mm钻孔采用防爆预埋孔钻车的人工工效是采用手持钻人工工效的233%,施工Φ160 mm钻孔采用防爆预埋孔钻车的人工工效是采用水钻钻孔人工工效的375%,因此,采用防爆型预埋孔钻车的人工综合工效是采用手持式钻具钻孔人工综合工效的304%。此外,防爆预埋孔钻车钻孔的深度和对煤壁的垂直度是通过位置传感器来控制,所以钻孔质量优于人工手持打孔。采用防爆预埋孔钻车钻孔不仅减轻了员工的劳动强度、降低了作业工程中的安全风险、减轻了粉尘和噪音的职业危害,而且提高了钻孔效率和钻孔质量。

5 防爆升降平台车研发及应用

神东矿区各矿井主要大巷及工作面巷道高度都在3000 mm以上,为了保证辅运巷内车辆行驶以及运输巷运输机安装等,管道、电缆需要尽量靠近顶板及煤壁安装,以保证巷道有效截面积。在管线安装过程中,经常涉及高处打眼、安装预埋、连接管道、敷设电缆等高空作业。在传统高空施工作业中往往使用搭脚手架、铁质平台等,由于脚手架和铁质平台不便移动且不能适应安装高度变化的需求,制约了在高空作业过程中的作业效率,且脚手架和铁质平台结构简单,容易晃动,又无防护栏,易发生人员高空坠落事故,存在很大安全隐患。防爆升降平台车可随安装作业进度同步跟进,高度连续可调以适应安装高度变化的需求,平台车车厢整体稳固并设置防护栏,彻底解决了脚手架、铁质平台等传统登高工具的使用弊端。

5.1 主要技术参数

防爆升降平台车主要技术参数如下:最大举升重量为2000 kg,最大调平(前)为10°,最大举升高度为3800 mm,作业平台长度为4000 mm,作业平台宽度为1960 mm,作业平台护栏高度为1200 mm,外形尺寸(长×宽×高)为7930 mm×1960 mm×2580 mm,最大运行速度为30 km/h,最小离地间隙为215 mm。

5.2 结构组成与工作原理

防爆升降平台车主要由防爆牵引车、作业平台、双叉臂等3部分组成,其结构组成如图7所示。

图7 防爆升降平台车结构组成

5.2.1 防爆牵引车

该车以WC-5E防爆工程车为原型,经过对后机架加长、加固等改造,对液压系统、电气系统、传动系统进行重新计算,使之能与升降作业平台所需性能相匹配,具有经久耐用、维修简单、零配件与矿区在用车型通用性强等优点。

5.2.2 作业平台

使用高强度型钢为骨架,采用“四横四纵”结构,在保证作业平台的刚性的同时最大限度地减轻平台的重量。在平台外围采用沉孔方式预留8个100 mm×100 mm的固定孔,作为护栏的安装孔或平台二次开发时的安装孔。在平台的前端还集成了液压操作台、工具材料箱、防触顶传感器、紧急停机按钮以及为日后使用液压钻时的预留液压接口等。

5.2.3 双叉臂

升降平台采用空心剪叉臂结构,保证升降平台工作时良好的稳定性,经过有限元仿真分析最终确定叉臂各连接孔及液压油缸连接孔位置,使其能做到在满足所有参数时质量最轻,作业时叉臂不易变形[10]

5.3 应用情况及效果

2016年5月,安装一队在上湾煤矿1~2煤辅运巷应用防爆型升降平台车,广泛应用井下诸如例管道龙门安装、高空打眼及预埋件安装、高空管道对接、高空电缆吊挂等高空作业。人员进入车厢后,作业人员在作业平台上操作控制手柄将作业平台升至所需高度即可进行作业,随着作业地点向前推移,只需升降车向前移动至下一作业地点即可,不仅省去了传统作业中人工移动脚手架等工序,而且也省去了传统高空作业时人员上下脚手架时带来的安全隐患。在高空安装设备、龙门时则省去了传统作业中对设备、工件的起吊工序,可以将设备、工件及安装附属配件放在作业平台上直接举升至安装位置进行作业。使用脚手架等传统登高工具进行登高作业时需4人协同作业,高空安装管道预埋件为100个/班,人工工效为25个/人·班;使用防爆升降平台车进行登高作业时只需3人,高空安装管道预埋件为180个/班,人工工效为60个/人·班;使用防爆升降平台车的安装工效是使用脚手架等传统登高工具安装工效的240%。防爆型升降平台车提高了高空作业效率、降低了安全风险、减轻了员工的劳动强度、方便了安装作业,具有省人、省力、安全可靠、快捷方便的特点,实现了减人增效。

6 防爆管道抓举车的研发及应用

目前,煤矿井下巷道内管道安装管径以DN100-DN500为主,DN150及以下管径通常采用逐点起吊法,先将管道在地面全部连接好,间隔6~10 m吊挂2~3个手拉葫芦,人工手拉葫芦将管道起吊至安装高度,待管道固定好后再逐次拆卸手拉葫芦悬挂到下一个起吊点,循环往复。DN200及以上管径通常采用组段起吊法,将2~4根管道先在地面连接好,间隔6 m吊挂2~4个手拉葫芦,采用人工拉手动葫芦将管道起吊至安装高度,待管道固定并安装好后拆下所有手拉葫芦挂在下一个起吊点,如此往复循环。由于DN200及以上管径大、柔软性差,起吊和对管作业费时费力、效率低、安全隐患大,起吊前准备工作多且延误时间长。防爆管道抓举车可将管道一次抓举到位,彻底解决了传统手拉葫芦起吊的诸多弊端,实现了管道起吊作业由手动向机械自动起吊的转变。

6.1 防爆型管道抓举车主要技术参数

防爆管道抓举车主要技术参数如下:外形尺寸(长×宽×高)为7200 mm×1960 mm×2200 mm,最小工作范围(宽×高)为5000 mm×3500 mm,工作状态稳车方式为液压支腿,抓取管道直径为150~500 mm,最大抓举管道重量为1500 kg,最大行走速度为30 km/h,最大举升高度为5000 mm,轴向移动距离为800 mm,横向移动距离为1000 mm,水平旋转角度为14°,抓举机构旋转角度为195°,驱动方式为四驱,停车制动为弹簧制动、液压松闸,工作制动为静压+多盘湿式制动。

6.2 结构组成及工作原理

该装置主要由抓举机械手、升降操作台、机架及车厢、动力系统、传动系统、液压系统、电气系统等7部分组成,防爆管道抓举车整体侧视图如图8所示。

6.2.1 抓举机械手

抓举机械手是防爆管道抓举车进行管道铺设作业的重要部件,它位于管道抓举车的后机架上面,抓举机械手由左右平移滑道、前后平移滑道、回转升降部、抓举臂、抓斗部及各个驱动油缸与回转驱动减速器组成。抓举机械手能够实现前后移动距离为 800 mm,横向左右移动距离为 1000 mm,水平旋转 14°,同时抓斗还能绕其回转座轴线旋转 195°,抓举臂中间部分可伸缩 400 mm,从而实现机械手在管道安装铺设过程中的抓、举、伸、让、转、对等功能,防爆管道抓举车抓举机械手结构如图9所示。

图8 防爆管道抓举车整体侧视图

图9 防爆管道抓举车抓举机械手结构

6.2.2 升降操作台

升降操作台由操作台和升降套筒组成,升降套筒内置伸缩油缸实现操作平台的升降,以适应不同的作业高度。

6.2.3 机架及车厢

车架主要是由前机架和后机架两大部件铰接组成。前、后机架可作左右各 37°的相对摆转,车辆随转向油缸的伸缩实现转向。转向油缸一端装在后机架转向油缸铰点,另一端装在前机架转向油缸铰点。前机架是各主要元部件的安装基础,并设置封闭式驾驶室,定员1人。前驱动桥通过钢板弹簧悬挂在前机架上,以实现减振。后机架主要承载抓举机构,后驱动桥通过钢板弹簧悬挂在后机架上。

6.2.4 动力系统

本车动力系统由柴油机、废气处理箱、废气波纹管、进气波纹管、进气箱、水油散热器、空气滤清器等组成。

6.2.5 传动系统

传动方式采用液力机械传动,前、后桥四轮驱动。传动系统由柴油机、变矩器、变速箱、前、后传动轴和驱动桥等组成。其动力由柴油机的飞轮传给变矩器,再由变矩器输出,将动力传给变速箱,变速箱的输出轴经传动轴分别与前、后驱动桥相联,将动力传给前、后驱动桥,最后传给驱动轮。

6.2.6 液压系统

防爆管道抓举车各动作机构为全液压动力驱动,液压系统由转向液压系统、制动及抓举液压系统3部分组成。

6.2.7 电气系统

电气系统主要用于机车保护、电源自锁、启动、熄火控制电路、照明和信号提示等部分组成,主要由发电机、调节器、控制按钮、钥匙开关、MCDX-III 电源、电磁气阀(启动)、照明开关、照明灯、信号灯、倒车报警装置、矿用柴油机车保护监控仪(系统)等设备组成。

6.3 应用情况及效果

2018年2月,防爆管道抓举车在上湾煤矿22号煤四盘区支架专用巷管道安装工程中应用管道抓举车,共安装DN150管道10800 m,安装DN250管道10800 m。采用传统逐点起吊和组段起吊每班需8名作业人员,平均每班安装DN150管道50根,人工工效为6.25根/人·班,安装DN250管道30根,人工工效为3.75根/人·班;使用防爆管道抓举车每班需6名作业人员,平均每班安装DN150管道100根,人工工效为16.67根/人·班,安装DN250管道70根,人工工效为11.67根/人·班。防爆管道抓举车安装DN150管道人工工效是逐点起吊的187%,安装DN250管道人工工效是组段起吊的311.2%,防爆管道抓举车的综合工效是人工起吊的249.1%。防爆型管道抓举车优化了安装工艺、提高了安装效率、降低了作业风险、减轻了员工的劳动强度。

7 综合应用效果

管道自动焊接机、管道除锈刷漆一体机、防爆管道吊运车、防爆预埋孔钻车、防爆升降平台车、防爆管道抓举车的研发和应用彻底改变了管线安装工序中的传统作业方式,实现了管道手工焊接→机械手自动焊接、手工除锈刷漆→机械刷自动除锈刷漆、手工搬运或起吊→机械随车起吊、手推登高平台→自行走可升降平台、手持钻具打眼→机械打眼、 手工起吊安装→机械手抓举安装,实现了管线安装从手工作业向机械化作业的过渡。管道自动焊接机、管道除锈刷漆一体机主要解决了管道在地面的前期准备问题,提高了焊接、除锈和刷漆速度,缩短了准备时间,减轻了地面员工的劳动强度,避免了员工在焊尘、油漆等有害气体环境中作业,保证了员工的职业健康。 防爆管道吊运车解决了管道的装卸问题,提高了装卸运输速度,大大减轻了员工的劳动强度,避免人员搬抬管道而出现磕手碰脚事故。防爆预埋孔钻车、防爆升降平台、和防爆管道抓举车解决了管线在井下作业现场的安装问题,即打预埋孔、高空作业、管道安装,提高了作业现场的安装速度,减轻了井下员工的劳动强度,降低了作业风险,保证了现场作业安全。

机电安装成套设备在大采高面的综合应用,彻底解决了大采高工作面传统安装方式和安装设备无法满足大采高工作面管线安装高度的需求,解决了管线安装速度慢、影响采掘工作面推进进度的问题。2018年2月-2020年3月,机电安装成套设备全面使用到了上湾煤矿12401和12402两个超大采高工作面的管线安装工程中,取得了良好的社会效益、经济效益和实用效果,保证了超大采高工作面的正常接续,实现了减人增效的目的。机电安装成套设备具有省人、省力、安全可靠、快捷方便、健康环保、效率高、风险小的特点,应用前景广阔,能够实现“上装备、保安全、提效益”的目的。

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Development and application of complete equipment for mechanical and electrical installation in 8.8 m ultra-high fully mechanized mining face

Liu Jianliang, Zhao Bo

(Developing Preparation Center of China Energy Shendong Coal Group, Yulin, Shaanxi 719315, China)

Abstract In order to meet the requirements of pipeline installation height and installation speed of ultra-high fully mechanized mining face, through the in-depth investigation and analysis of pipeline installation technology, installation method and installation speed of ultra-high working face, redeveloped and applied six kinds of special equipment for mechanical and electrical installation, including pipeline cutting, rust removal and painting integrated machine, pipeline automatic welding machine, explosion-proof pipeline crane, explosion-proof embedded hole drilling vehicle, explosion-proof lifting platform vehicle and explosion-proof pipeline grab truck.The main technical parameters, structure composition, working principle, application and effect of the six kinds of equipmentwere introduced in detail. Through the practical application in Shangwan Coal Mine of China Energy Shendong Coal Group, the six kinds of equipment had realized the rapid installation of pipelines in ultra-high working face, ensured the normal connection of ultra-high intelligent fully mechanized mining face, and achieved good application effect.

Key words 8.8 m ultra-large mining height, intelligent fully mechanized mining face, mechanical and electrical installation, complete equipment, rapid installation

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引用格式:刘建良,赵波. 8.8 m超大采高综采面机电安装成套设备研发和应用[J].中国煤炭,2020,46(7):112-121.

Liu Jianliang, Zhao Bo. Development and application of complete equipment for mechanical and electrical installation in 8.8 m ultra-high fully mechanized mining face[J].China Coal,2020,46(7):112-121.

中图分类号 TD407

文献标识码 A

作者简介:刘建良( 1966-) ,男,广东高州人,高级工程师,现任国家能源神东煤炭集团开拓准备中心副主任,主要从事机电管理管理工作。E-mail:zgshsdgsljl@163.com。

(责任编辑 路 强)