煤矿主井箕斗装载称重装置研究与应用

张子明 孟翠翠 贾俊博

（辽宁省调兵山市辽宁通用重型机械股份有限公司，辽宁 调兵山 112700）

1 引言

铁法能源公司晓明煤矿为竖井煤矿，原主井采用定容式装载提升设备，无法满足《煤矿安全规程》关于主井装载提升系统必须采用定重装载的技术要求。研制新型定重式装载称重装置，装载超限时及时发出语音报警信号和停车信号，确保主井提升系统安全运行。

2 技术原理

2.1 运算公式

提升系统总载荷为箕斗在井底装载点时箕斗重量+煤炭重量+天轮重量+轴承座重量+钢丝绳重量之和，减去箕斗重量、天轮重量、轴承座重量和钢丝绳重量即为装载煤炭重量。

式中：G为提升系统总重量，t；G1为箕斗重量，t；G2为煤炭重量，t；G3为天轮重量，t；G4为轴承座重量，t；G5为钢丝绳重量，t。

2.2 称重原理

由安装在提升井塔顶部平台上的称重传感器采集提升系统总重量模拟量信号，主副天轮各由两件称重传感器采集信号，经可编程序控制器PLC运算处理，输出信号为两件传感器输出信号的叠加值，运算结果由触摸屏显示负载曲线和负载实时数据。

主副天轮分别对应主副箕斗，当箕斗下降到主井底部装载点时打开电动闸门进行装载，地面提升机控制室的触摸屏实时显示装载煤炭重量，当装载煤炭重量达到设定值时关闭电动闸门，同时语音播报满载信息。当装载煤炭重量超过设定值及系统发生故障时播报相应语音。通过触摸屏能够对系统运行参数和保护参数进行设定。触摸屏能够输出音频信号，经过扩音后播报系统运行状态及系统故障等信息，同时具有系统运行超限及系统故障历史记录的查询功能。

3 实施方案

原提升机天轮总成为结构件焊接结构，天轮与天轮轴通过过盈配合组装，天轮位于天轮轴几何中心，天轮轴两端设滚动轴承，通过轴承座安装在主井井塔顶部承重梁上。提升机设在地面，提升机运行时，提升钢丝绳随滚筒排绳方向移动产生偏角，天轮另一侧钢丝绳沿铅锤方向与箕斗悬挂装置连接。主井天轮总成结构示意图如图1。

图1 天轮结构示意图

针对原提升机天轮总成结构制定改造方案，需要安装称重传感器采集提升系统总重量信号，现有两种技术方案待选。

3.1 技术方案1

需要在天轮轴两端安装称重传感器，必须重新制作天轮总成。将天轮及天轮轴做成分体结构，然后再加工天轮轴轴端，天轮安装在天轮轴几何中心并通过滚动轴承沿天轮轴回转，天轮轴两端下部安装称重传感器，用于采集提升系统总重量信号。重新制作天轮轴端结构示意图如图2。

图2 重新制作天轮轴端结构示意图

3.2 技术方案2

无需重新制作天轮总成，只需配置轴承座式称重传感器，将原设备轴承座安装在称重传感器本体上。称重传感器上部加工成两端对称的凹槽，凹槽深度10 mm，将轴承座嵌入凹槽内，采用4件M36×3螺栓进行紧固，然后将轴承座及轴承座式称重传感器用螺栓固定在原轴承座的平台上。轴承座式称重传感器安装图如图3。

图3 轴承座式荷重传感器安装图

3.3 技术方案实施效果对比

技术方案1需要重新制作天轮总成，系统结构复杂，需要高空吊装作业，工作量大，施工危险系数高，工程造价高。技术方案2运用轴承座式称重传感器，采用一体化设计，安装方便，工作量小，工程造价低。根据技术方案实施效果对比结果，决定采用技术方案2。

3.4 煤矿主井箕斗装载称重装置配置

3.4.1 煤矿主井箕斗装载称重电气控制系统

配置可编程控制箱、轴承座式称重传感器、触摸屏和报警音箱等，轴承座式称重传感器安装在主井井塔天轮轴两端，其他电气件均安装在提升机控制室，轴承座式称重传感器输出信号经矿用屏蔽控制软电缆引入矿井提升机操作室。

3.4.2 煤矿主井箕斗装载称重视频监控系统

配置红外摄像机、网络交换机、光端机、硬盘录像机和高清监视器等。4件红外摄像机分别监控4件称重传感器位置，用于监控轴承座式称重传感器各部位紧固螺栓状态，发现任一紧固螺栓有松动现象立即处理，及时消除安全隐患。为保证视频监控图像传送效果，视频信号经光缆引入提升机控制室，经信号处理后由高清监视器显示监控画面。

3.5 工作原理

3.5.1 电气原理框图

煤矿主井箕斗装载称重装置电气原理框图如图4。

图4 煤矿主井箕斗装载称重装置电气原理框图

3.5.2 工作原理

主、副天轮分别对应主、副箕斗，主、副天轮轴两端安装轴承及轴承座，轴承座安装在主井井塔顶部承重梁上，轴承座底部安装轴承座式称重传感器，用于采集提升系统总重量模拟量信号。主、副天轮各由两件称重传感器采集信号，经可编程控制器PLC运算处理，将主天轮或副天轮的两件传感器输出信号进行叠加运算，运算结果减去箕斗重量、天轮重量、轴承座重量和钢丝绳重量即为实际装载煤炭重量，由触摸屏显示负载曲线和负载实时数据。当箕斗出现卡阻及罐道变形引起运行阻力骤增时，控制系统能够自动识别并及时发出语音报警信号和开关量控制信号，开关量控制信号能够接入提升机安全控制回路，及时停止提升机运行并自动闭锁，避免重大事故发生。

4 安装调试

按设计图纸安装电气设备，敷设控制电缆和光缆，正确连接并检查确认后方可进行送电调试。

5 应用效果分析

煤矿主井箕斗装载称重装置采用提升系统总重量-附属设备重量=装载煤炭重量的技术原理，由触摸屏直观显示测量结果，人机界面更加人性化，设备运行状况一目了然。

（1）技术原理简单，显示界面直观准确。经过安装调试和精度测试，显示精度小于±5%。

（2）创新运用轴承座式称重传感器，平板结构减小占用空间，能够提高设备运行的稳定性，降低工程费用并缩短施工工期。

（3）轴承座式称重传感器上面中部设有10 mm凹槽，将轴承座嵌入凹槽中，用螺栓与传感器本体紧固，防止传感器受力发生位移，消除安全隐患。

（4）提升系统能够智能识别故障类型，当特殊原因引起运行阻力骤增时及时停止提升机运行，同时语音播报故障，避免重大事故发生。

（5）配置视频监控系统，设置4台红外摄像机，分别监控四件轴承座式称重传感器的紧固螺栓，发现紧固螺栓发生松动时立即处置，及时消除安全隐患。

（6）称重传感器和红外摄像机分别采用屏蔽控制电缆和光缆传输信号，减小信号衰减。

（7）设备配置科学合理，系统响应迅速，语音播报故障清晰洪亮，具有完善的控制和保护功能。

6 结语

煤矿主井箕斗装载称重装置于2020年10月30日安装调试完毕，已在铁法能源公司晓明煤矿主井提升系统投入使用，设备运行状况良好。系统自动将运算数据生成每班、每日、每月和每年煤炭产量报表，为煤矿重大决策提供数据支持。触摸屏设置访问密码，防止恶意操作，为煤矿设备安全运行提供可靠技术支持，有利于提高煤矿安全管理水平。