高昌樂

(神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦井下巷道錯(cuò)亂、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、開采的難度逐年遞增等問題極易發(fā)生安全事故，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，如何快速有效地解救被困人員對煤礦安全生產(chǎn)有重要意義。井下事故發(fā)生后，如何與井下迅速建立通信聯(lián)絡(luò)、準(zhǔn)確了解事故現(xiàn)場情況、時(shí)刻關(guān)注井下動(dòng)態(tài)是重中之重，因此設(shè)計(jì)和建立有效的井下應(yīng)急數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需求非常迫切，將成輥光纜展開并快速鋪設(shè)到指定位置成了先行工作[1-3]。對于受損不太嚴(yán)重的煤礦巷道，可以采用車載方式快速布設(shè)光纜，提高光纜鋪設(shè)效率，可以為井下救援贏得寶貴時(shí)間。

煤礦井下環(huán)境十分復(fù)雜多變，極易發(fā)生二次災(zāi)害，所以最好選擇具備本安、無電氣化設(shè)備的機(jī)械?，F(xiàn)在各大煤礦實(shí)際運(yùn)行過程中，并無此類裝置，而寬帶、通訊等普通光纖鋪設(shè)一般采用施工人員手動(dòng)鋪設(shè)[4-6]。用車載鋪設(shè)時(shí)，當(dāng)遇到緊急情況急剎車時(shí)，光纜輥往往由于慣性會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將過多的光纖甩出，會(huì)發(fā)生相互纏繞、擠壓折斷等情況，影響正常使用[7-9]。針對目前現(xiàn)有技術(shù)中，光纜鋪設(shè)需要靠車載設(shè)備和人工鋪設(shè)，車載鋪放急剎車時(shí)由于慣性作用導(dǎo)致的光纜輥會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將過多的光纖甩出并發(fā)生相互纏繞、擠壓折斷等問題，設(shè)計(jì)了一種礦用巷道車載光纜鋪設(shè)裝置及系統(tǒng)。

1 裝置基本功能實(shí)現(xiàn)

1.1 客觀需求

1.1.1 光纜隨車行進(jìn)的順應(yīng)釋放需求

與手動(dòng)鋪設(shè)有所不同，采用車載方式進(jìn)行光纜鋪設(shè)，光纜輥只能夠隨著車輛的前行被動(dòng)進(jìn)行釋放，同時(shí)隧道環(huán)境復(fù)雜，車輛行駛速度隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)執(zhí)行啟停動(dòng)作[10-12]。因此該系統(tǒng)需要隨時(shí)根據(jù)車輛的行駛狀況作出調(diào)整，順應(yīng)性地進(jìn)行光纜的釋放作業(yè)。

1.1.2 光纜控制需求

光纜的張緊和松弛情況是光纜鋪設(shè)的重要考慮因素，如果張力過大，會(huì)導(dǎo)致光纜受損，同時(shí)會(huì)增大車輛負(fù)載，引起布纜系統(tǒng)的破壞；如果光纜過于松弛，則會(huì)引起光纜浪費(fèi)，同時(shí)增加回收的工作量，因此需要既能夠?qū)⒐饫|的牽拉張力控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)又不影響光纜的正常收放。光纜鋪設(shè)時(shí)甩出高度也應(yīng)考慮，如果甩出高度過高，會(huì)阻礙其他工作人員操作，因此需要光纜的甩出高度低于限定值。

1.1.3 設(shè)備的簡化操作問題

隧道及井下作業(yè)環(huán)境惡劣，照明及空間條件較差。在設(shè)備設(shè)計(jì)及操作使用方面，就要求操作簡便，容易上手，盡可能減少工作壓力，從而更多地將人力物力用于事故處理等主要工作方面。對于設(shè)備而言，需要實(shí)現(xiàn)光纜輥的快速更換安裝，使操作者在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)放線作業(yè)。

1.1.4 設(shè)備可靠性和長期穩(wěn)定性問題

對于井下應(yīng)急設(shè)備，要求在復(fù)雜環(huán)境中也能夠正常展開作業(yè)，見表1，同時(shí)能夠保持良好的勤務(wù)性，設(shè)備性能可以長時(shí)間保持穩(wěn)定。因此對于布纜系統(tǒng)，就要求設(shè)備隨車操作時(shí)全程保持良好的工作狀態(tài)，不能因設(shè)備自身原因出現(xiàn)意外故障。在較長存放期和必要維護(hù)工作下，設(shè)備隨時(shí)可以調(diào)取使用。

表1 使用環(huán)境條件Table 1 Environmental conditions for use

1.2 設(shè)計(jì)思路

針對裝置使用條件及功能需求分析，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式車載通信光纜鋪設(shè)裝置及系統(tǒng)，主要包含光纜盤線組件、放線組件、收線組件、支撐組件等組件，具體布局如圖1所示。使用該裝置可以完成復(fù)雜礦井環(huán)境下的通信用光纜鋪設(shè)工作，能夠適應(yīng)高瓦斯、高粉塵等環(huán)境復(fù)雜多變的煤礦巷道，對收放線長度都能進(jìn)行自由切換，采用純機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)快速收放線。

圖1 裝置布局示意Fig.1 Schematic diagram of device layout

1.3 放線裝置總體設(shè)計(jì)

1.3.1 裝置結(jié)構(gòu)及組成

車載通信光纜放線裝置主要包括光纜盤線組件、放線組件、收線組件、支撐組件(含光纜通信組件和附件組件)，各組成部分之間的關(guān)系如圖2所示，裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖2 裝置關(guān)系示意Fig.2 Schematic diagram of device relationship

圖3 裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of device structure

1.3.2 各組件的作用

光纜盤線組件主要包括光纜輥支架、光纜輥、提手、轉(zhuǎn)動(dòng)軸及光纜輥支撐機(jī)構(gòu)等部件，主要用于纏繞待鋪設(shè)光纜，根據(jù)光纜放線、收線需求進(jìn)行人工操作。放線組件包括光纜輥驅(qū)動(dòng)齒輪、過渡齒輪、阻尼器齒輪、光纜輥支撐板和阻尼系統(tǒng)等部件，在光纜盤線組件放線時(shí)，提供必要阻力，防止放線停止時(shí)由于慣性產(chǎn)生的多余放線情況。收線組件主要包括手柄、導(dǎo)軌、排線系統(tǒng)、收放線導(dǎo)向輪組和傳動(dòng)齒輪等部件，井字輪安裝于角塊斜面上，保證排線過程中光纜輸出角度與井字輪中心位置垂直，在光纜盤線組件收線時(shí)，將收回的光纜整齊有序地排列于光纜輥上。附件組件主要包括主支架和防護(hù)罩，對光纜盤線組件、放線組件、收線組件于礦用巷道車支架上進(jìn)行固定，同時(shí)可通過滑軌調(diào)整收線組件具體位置。通信組件主要包括光纜和光纜通斷檢測裝置。

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 光纜的快速更換及收放線

光纜輥一體包含光纜輥架和光纖，安裝時(shí)直接放入支撐板推入凹槽即可，更換快捷，節(jié)省大量換裝的時(shí)間。放線時(shí)，將光纖經(jīng)轉(zhuǎn)向輪組甩至車尾，一端進(jìn)行固定并連接通訊裝置，放線裝置切換至阻尼模式，車輛啟動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)放線。當(dāng)該輥光纜將要放完時(shí)，更換下一輥光纜。收線時(shí)，將光纖端頭通過排線器井字輪中間纏繞固定在光纜輥上，通過搖柄轉(zhuǎn)動(dòng)光纜輥驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得光纜輥轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)收線，此時(shí)，光纖可整齊有序地排列在光纜輥上。

2.2 放線過程及效果

引入阻尼后，光纜輥轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)有一定的扭矩，使得光纖外放時(shí)的拉伸力變大，為防止光纖出現(xiàn)斷裂等意外情況影響使用，應(yīng)當(dāng)控制光纖拉力的大小，也就是將阻尼保持在一定范圍內(nèi)。應(yīng)用拉力計(jì)分別測量光纖在無阻尼、有阻尼、加速、勻速等不同狀態(tài)下所受的拉力值，結(jié)果見表2。

表2 不同狀態(tài)下的光纖拉力值Table 2 Tension value of optical fiber in different states 單位：N

可以看出，光纖允許的拉伸力為600 N，均在范圍內(nèi)。當(dāng)無阻尼時(shí)，車輛按既定速度前進(jìn)，此時(shí)光纖開始鋪設(shè)，當(dāng)急剎車時(shí)，光纜輥由于慣性會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，甩出多余的光纖，經(jīng)測量，光纖多余量約3 m。當(dāng)有阻尼(0.5 N·m)時(shí)，車輛按既定速度前進(jìn)，此時(shí)光纖開始鋪設(shè)，當(dāng)急剎車時(shí)，光纖多余量約0.5 m。當(dāng)有阻尼(1 N·m)時(shí)，車輛按既定速度前進(jìn)，此時(shí)光纖開始鋪設(shè)，當(dāng)急剎車時(shí)光纖多余量約為0.2 m。由此可見，無阻尼時(shí)，光纖所受拉力很小，光纖多余量很大，不能滿足使用要求。阻尼越大，光纜輥轉(zhuǎn)動(dòng)所需拉力越大，光纖承受的拉伸力越大，光纖多余量越少。有阻尼時(shí)能很好地解決車載鋪放急剎車時(shí)由于慣性作用導(dǎo)致的光纜輥會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將過多的光纖甩出并發(fā)生相互纏繞、擠壓折斷等問題。經(jīng)過綜合考量，選用扭矩量值為0.5 N·m的阻尼較為合適。

3 結(jié)論

(1)針對裝置使用條件及功能需求分析，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式車載通信光纜鋪設(shè)裝置及系統(tǒng)。該裝置整體結(jié)構(gòu)無電氣化設(shè)備，采用防爆材料加工，可靠性高，能夠適應(yīng)高瓦斯、高粉塵等環(huán)境復(fù)雜多變的煤礦巷道，亦適用于普通路面光纜鋪放，采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，防爆，成本低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)快速收放線。

(2)該裝置結(jié)構(gòu)上包括具有自由運(yùn)轉(zhuǎn)的光纜盤線組件、具有阻尼系統(tǒng)的放線組件、具有排線結(jié)構(gòu)的收線組件等，收放線可以快速切換，光纜輥可以快速更換，光纖整齊排列，鋪設(shè)長度可以根據(jù)實(shí)際需要自主定制。

(3)該裝置的支撐組件經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，與光纜盤線組件密切配合，光纜輥可經(jīng)安裝滑動(dòng)段進(jìn)入凹槽，光纜輥支架與支撐板貼合，上面有壓塊將光纜輥緊緊地固定在支撐板上，防止收放線過程中由于振動(dòng)等原因位置移動(dòng)，避免出現(xiàn)意外或損壞設(shè)備。