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1、1 绪论1.1选题背景及研究意义我国是煤炭生产和消费大国，煤炭资源约占整个能源结构的60%，占有非常重要的地位。为保障我国国民经济发展的需求，到2050年煤炭占一次能源的比重将达到50%左右。因此，在相当长时间内，煤炭资源将仍是我国能源消费的主体部分。2009年，我国煤炭产量为29.1亿吨，位居世界第一，但仍然呈现煤炭供应相对紧张的趋势，制约了国民经济的发展。这主要是受生产环节制约。矿用机械是否现代化，直接影响煤炭产量、劳动生产率以及煤矿经济效益。随着煤矿引进了各种新型机械设备。加快了生产速度，提高了生产效率。目前在矿山的一些行走机械中，其动力设备大多采用电动机。在主机工作时，接在电动机上的电
2、缆的收放要靠人工来完成，这不但影响整机的作业效率，并且电缆长期在复杂的地面（如井下水仓，掘进工作面等）上拖曳使之磨损加快，时间稍长极易发生漏电和断电，危及设备和人身安全等事故。为实现电缆收放机械化、自动化，提高设备的作业效率，保障工人的安全，减轻工人的劳动强度，开发理想的尾部电缆收放装置非常必要1。 所以，开发矿用防爆电缆卷筒，不但能解决煤矿行走机械的拖缆问题，减低工人的劳动强度，还能提高煤矿的生产率，为煤矿和生产企业带来经济效益。1.2电缆卷筒的概述电缆卷筒是各种大中型移动式生产设备的配套装置，它主要用来收、放主机的动力电缆和控制电缆，使电缆随主机同步变速移动，无论主机往返移动或变速移动，电
3、缆卷筒都能保证电缆的收放张力恒定不变。这就是电缆卷筒的特殊工性能2。1排缆机构 2.双向螺纹轴 3.力矩电机 4.传动链 5.电缆卷筒 6.电缆 7.卷筒轴图1-1 全电动卷缆系统原理图1.3本课题在国内外的发展及研究现状1.3.1电缆卷筒的发展电缆卷筒按卷绕控制方式可分成4代产品：1）配重式电缆卷筒早期的电缆卷筒采用滑轮组，在电缆的一端用重锤式配重块，始终给电缆卷盘提供拉力3。当拉出电缆时，带动电缆卷筒旋转，从而带动与电缆卷筒同轴相联的钢丝绳卷筒转动，以提升重锤而储存势能。当卷筒卷取电缆时，重锤下降释放势能，在钢丝绳张力的作用下，带动与钢丝绳卷筒同轴相联的电缆卷筒转动，同步卷取电缆。 它的优
4、点是结构简单，性能稳定可靠，安装维修方便，使用寿命长。 它的缺点是体积庞大，受行程限制，如果需要大行程则必须给其留出足够大的安装空间4。图1-2 重锤式电缆卷筒2）力矩电机式电缆卷筒采用力矩电机提供动力的第2代电缆卷筒，省去了配重块的麻烦，简化了机械结构3。它利用具有长期堵转和自调速特性的力矩电机为动力，电机的输出转速随外负载的增加而自行降低，自动调整卷筒卷缆线速度与设备行走速度相同；放缆时，在电缆拉力作用下，克服堵转电机力矩同步放出电缆；停车断电时利用力矩电机的盘式制动器锁住电缆，保证电缆不滑落。它的优点是电机始终通电，电控简单，可降低故障率，卷取电缆范围大，行程长。 它的缺点是放缆时，需要
5、克服电机堵转力矩阻力，小电缆需要谨慎使用4。还有力矩电机在速度变化时无法提供恒定的力矩，且堵转运行时发热量大，在环境温度高的条件下，不适合长期运行3。图1-3 力矩马达式电缆卷筒3）磁滞式电缆卷筒第3代电缆卷筒是常开电气有限公司开发的磁滞式电缆卷筒，它采用了磁性连轴器和多台电机同时运行的办法，克服了力矩不恒定的缺点。通过磁性块，使电机与卷盘之间的连接转矩近似恒定；同时通过磁性块间隙的调整，可以使电机工作在额定功率范围内，避免电机由于堵转或过载而损坏3。它的优点是结构紧凑、安装维修方便，可根据实际工况要求调节输出力矩且具有良好的自制动功能，不需要安装制动器，电缆卷筒运行可靠。它的控制系统简单，可
6、与设备的正反车控制系统联动，只要设备运行，卷筒电机即工作，相序不变。电缆卷筒工作中，磁滞联轴器能依据主机设备的运行速度自行调节转速，使电缆卷筒收放电缆的线速度与主机设备的运行速度保持同步状态。 它的缺点是在电缆容量大、主机安装高度高的情况下，为了降低转子温升，提高转子使用寿命，需要采用多头小转矩的设计理念，相对价格较高4。图1-4 磁滞式电缆卷筒4）变频式电缆卷筒随着机械设备需要行走的距离更远，以致卷盘的内层到外层的卷绕半径相差3倍甚至更大，它的恒定力矩输出对电缆提出了更高的抗拉力要求。因为在满足外层电缆卷取力要求的条件下，由于磁性连轴器的卷绕力矩近似恒定，因此内层电缆要承受的张力会比外层大
7、3倍以上，对于内嵌光纤的高压电缆或承载张力小的电缆，容易造成损坏。采用变频控制方式的电缆卷筒能保持电缆张力的恒定，这就是最近问世的第4代产品变频式电缆卷筒3。变频电机为B5安装结构，与减速机输入端直联，减速机输出轴一端与电缆卷盘通过键联接，另一端与集电箱中的电滑环联接，减速机和集电环输电箱固定在基座上方。变频器控制柜独立于电缆卷筒，可按实际情况选择适当的安装位置。变频器在闭环矢量（有速度传感器矢量控制）下，选择开环转矩控制模式，并通过厚度积分计算电缆卷盘的实际卷径，准确控制电机的输出转矩，从而保证电缆在卷盘上卷绕时不会因卷径变化而引起张力变化，即电缆所受的张力恒定。该电缆卷筒有如下优点： 在收
8、缆和放缆过程中，无论设备运行在轨道的任何位置，作用在上的拉力始终恒定，且可通过变频器参数输入及控制箱面版旋钮操作，任意调整电缆所受拉力，最大限度地保护电缆，极大地延长电缆的使用寿命。卷筒能迅速响应设备运行速度的变化，可与设备同步，其性能精确、灵敏。突破了磁滞式、力矩电机式等传统电缆卷筒设计上的瓶颈，不受电缆规格、卷绕长度、设备速度及安装高度中超常规格的限制，任何复杂工况的电缆卷筒均由1台功率不同的变频电动机驱动。适应性强，可高负载全日制连续工作。卷筒与设备为运行联动保护，有效防止电缆被拉断等意外事故发生。通过变频器对卷筒电机进行精确控制和保护，可使其使用周期延长。变频控制电机式电缆卷筒可根据设
9、定的张力和主机设备（大车）的运行速度自行改变卷筒变频电机的运行频率，在0n中的任意转速下正常工作（n为异步转速），当主机设备断电后，电缆卷筒的变频电机制动器制动，保证电缆不滑脱。 缺点是价格是同类产品最贵的，但是物有所值，在必要场所推荐使用4。图1-5 变频电缆卷筒1.3.2 本课题的研究现状虽然电缆卷筒有了很大的发展。但是基于防爆的煤矿用电缆卷筒在国内还很少。国外矿用车辆的研制、生产，由于其有强大的基础工业做后盾，再加上与其配套的先进的标准、严格的法规，因此在使用上是安全的。但国内在矿用车辆方面的研究，多是仿制外国的产品，由于基础工业落后，仿制性能达不到国外同类产品的水平，安全性不能得到保证
10、。作为车体上储存电缆的部件隔爆电缆卷筒，其研究水平还有相当大的差距5。在国内，三一重装公司从理论上对基于隔爆电缆卷筒的电刷材料进行了分析计算，并建立了物理模型，从而在理论上初步解决了滑环材料的选取问题，为实际应用指明了方向5。三一重装有限公司还成功为其生产和履带行走式液压支架配套设计了隔爆型卷缆装置。并且该装置匹配梭车的车载型号产品已经通过国家煤安检测中心的检测并顺利通过工业性试验使用检测6。此外，神东煤炭分公司近年来也为其连续采煤机研制成功了电缆拖拽装置。并且在使用中获得成功7。1.4本课题的研究途径和可行性分析根据本课题的发展现状和研究水平，该课的的研究可以参考现有电缆卷筒的机本结构，并对
11、其进行改进性设计，以使之适合煤矿井下的工况。本课题的研究可以按以下途径进行：1）行走部根据煤矿井下的工作环境和现有的煤矿机械，该卷缆机不能集成到现有的机器上，所以该卷缆机必须要有行走部，以适应其在煤矿井下灵活使用和与各种行走机械配的要求。其行走部可选用履带式，以便在井下复杂的环境下运行平稳。2） 卷缆部分考虑到井下机械作业时不可能是直线运行，该卷缆机的卷筒不能采用单排电缆卷盘，而应采用多排卷盘，从而满足电缆可以有一定有摆角。使卷缆工作高效进行。但要注意的是，卷筒上的电缆层数不宜过多，否则电缆会过热而烧毁，并且速度也难以控制。3） 排缆与导缆部分由于机器采用多排电缆卷筒，为了避免卷缆过程中电缆发
12、生堆叠，必须给机器设计可靠的排缆装置。现有多用双向丝杠排缆装置，但其成本高，加工困难。对其我们可以采用液压缸来代替，不但降低了加工难度，还可以省去中间的传动装置。对机器导缆装置的要求是转动灵活，对电缆磨损小。此装置可以选用现有的导缆装置。4） 传动部分为使结构紧凑，可以选用行星齿轮作为传动装置。动力源和减速器之间可选用液力联轴器，以防止过载。5） 驱动部分整机采用液压驱动，以适应行走部和排缆装置的需求。6） 防爆要求为使卷筒与电动机间的电缆在卷筒转动过程中不出现相对运动，在卷筒内设计了电刷和滑环，这一装置在一定情况下可能产生火花，当空气中含有一定浓度的瓦斯时，就会燃烧或爆炸，所以卷筒必须有耐爆
13、性和不传爆性。耐爆性是由外壳的材质和机械结构强度来保证的。根据材料力学及实验结果，对于钢板外壳，理论上最小厚度为34mm，铸铁为6mm。不传爆性可以通过外壳装配接合面的宽度L、临界间隙dkp和加工表面精度保证（如：表1-1）。8表1-1 隔爆接合面宽度与临界间隙的关系接合面宽度L/mm25155临界间隙dkp/mm1.151.171.050.82 方案设计2.1总体设计以ZCY100R型侧卸式装岩机配套使用的电缆收放为例设计。该电缆收放机的卷缆能力以卷取50米型号为MYP-0.66/1.44煤矿用移动屏蔽橡胶软电缆为例。该电缆规格为：325+116，外径：40.0-44.3mm（按45mm设计
14、），单位长度的质量：2.55kg/m，抗拉强度：=10Mpa。2.1.1总体方案1）悬挂式电缆收放方案 利用顶板和锚杆，把电缆悬挂起来，如采用单轨。把轨道用一定的方式固定在巷道顶板上，用滑轮将电缆固定在轨道上。由工作机带动完成电缆的拖拽工作。如图2-1所示图2-1 悬挂式电缆收放方案2）电缆收放机电缆卷筒是各种大中型移动式生产设备的配套装置，它主要用来收、放主机的动力电缆和控制电缆，使电缆随主机同步变速移动，无论主机往返移动或变速移动，电缆卷筒都能保证电缆的收放张力恒定不变。这就是电缆卷筒的特殊工性能。如图2-2所示图2-2 电缆收放机2.1.2总体方案选择悬挂式电缆收放方案简单方便成本低，可
15、行性高，且不存大防爆问题。但移动性差。且要随巷道施工面施工，不能满足当前快速生产的需要。采用电缆收放机虽然成本高，技术复杂。但其对所有矿用自移机械的匹配性好，可以为多种机械设计提供电缆收放。能满足当前矿井快速生产的需要。所以本设计采用电缆收放机。2.1.3 卷缆机总体设计传动系统框图如：图2-3所示。电机液压泵左液压低速马达履带右液压低速马达履带卷缆低速图2-3 卷缆机传动系统框图该机采用全液压驱动，为两部分。第一部分为行走部分，该部分通过行走液压系统将压力油液送入行走低速马达，驱动履带来实现整机的前进、后退和转向。第二部分为排缆部分，该部分由排缆液压系统将压力油送入排缆液压缸，通过行程开关来控制液压缸的往复运动，来实现排缆工能，其排缆和卷缆的同步由液压系统控制。该机的液压系统图如图2-4所示。1 双联齿轮泵2 调速阀组 3 电磁换向阀4卷缆马达5 手动换向阀6行走马达7制动阀组8行走控制阀图2-4 卷缆装置液压系统图2.2部分设计2.2.1部分方案设计1）电缆卷盘设计方案自由卷绕式这种类型的卷筒是最基本的，它适合于较短距离到适中距离的电缆卷绕，电缆自由的排列在卷筒上，没有任何导向装置。图2-5 自由卷绕式卷盘单排卷盘这种形式
