1-10综采采煤机技术的创新研究.pdf

第 35卷第 11期煤 炭 学 报Vo.l 35 No . 11 2010年11月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYNov . 2010 文章编号 0253- 9993 2010 11- 1898- 05 我国综采采煤机技术的创新研究 张 世 洪 天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030 摘 要 回顾了我国采煤机技术发展的 4个阶段 起步阶段, 引进、 仿制、 研制并举阶段, 自主开发和 系列机型发展阶段, 电牵引采煤机发展阶段。着重阐述了我国综采 40 a来采煤机关键技术的发 展, 并与国外先进采煤机技术对比, 分析出与国外先进技术的差距主要表现在 产品可靠性, 生产制 造工艺、 手段, 故障检测、 通信传输、 自动化控制, 基础理论研究等方面。指出我国未来应着力发展 强力销轨式牵引系统, 基于网络化、 模块化的分布式电气控制系统, 基于采煤机械产品寿命周期的 现代设计分析技术, 采煤机自动化开采技术等。 关键词 采煤机; 关键技术; 牵引系统; 电气控制系统 中图分类号 TD42116 文献标志码 A 收稿日期 2010-08-21 责任编辑 毕永华 作者简介 张世洪 1964, 男, 四川安县人, 研究员, 硕士生导师。E- mail zhangrch yahoo. com. cn Study on the innovation of fullymechanized coal shearer technology in China ZHANG Sh- i hong ShanghaiBranch, T iandi Science and T echnology Company Ltd. , Shanghai 200030, China Abstract Reviewed the 4 stages of China coal shearer technology developmen. t The 4 stageswere including the star- t ing stage , the i mpor, t copy , research and develop m ent combined stage , the self development and seriesmode develop - ment stage and the electric haulage coal shearer development stage . Stressed the key technology development of the coal shearer in the passed 40 years of the fullymechanized coalm ining in China and had a technical comparison with the coal shearersmade in domestic and overseas. Analyzed the differencesbet ween the advanced technologiesofChina and foreign countries and the differencesweremainly in the product reliability, the technique , means , fault detection of the production andmanufacturing, the communication transm ission , the automation contro,l the basic theory study and other aspects . Pointed out that in the near future , China shall stress the development of the power pin rail type haulage system, the distributed electric control syste m based on the network andmodule , themodern design analysis technology based on the service life of the coalm ining machinery products , the automation m ining technology of the coal shearer and other coal shearer technology . Key words coal shearer ; key technology; haulage system; electric control system 采煤机是综采成套装备的主要设备之一。我国 从 20世纪 60年代初期开始研制, 期间经历了由引 进、 消化、 仿制到自主研制, 由第一台单滚筒采煤机到 双滚筒采煤机的系列化研制; 采煤机截割电机功率由 60 k W 发展到 1 000 k W, 总装机功率由 60 k W 发展 到 2 550 k W; 采煤机总体结构形式由单电机到多电 机, 由纵向布置到横向布置; 牵引形式由钢丝绳牵引 到圆环链牵引, 发展到无链牵引; 牵引调速由机械牵 引调速到液压无级调速, 发展到直流调速和交流变频 调速; 系统保护由简单到完善; 操作由单纯手动就机 操作到兼有端头站操作和无线电离机操作; 采煤工作 面机械化程度由普采到高档普采, 再到综采; 适用范 围由薄煤层到特厚煤层的发展过程。现在我国自主 研制生产的采煤机以年产 600台左右的速度发展, 完 第 11期张世洪 我国综采采煤机技术的创新研究 全能满足我国煤矿所有的可开采煤层对采煤机的要 求, 依靠引进采煤机设备来满足煤矿生产需要的时代 已经一去不复返了 [ 1- 3]。 1 我国采煤机技术发展的回顾 111 起步阶段 20世纪 50年代我国多数煤矿采煤工艺以炮采 为主, 少数煤矿使用从苏联进口的截煤机和康拜因采 煤机为主的采煤机械, 生产效率低下 [ 4]。为提高我 国采煤机的水平, 我国的科技人员深入基层调查研 究, 及时掌握国外采煤机发展动态, 于 1963年在消化 吸收波兰 KWB - 2型单滚筒采煤机的基础上, 设计 出 MLQ- 64型单滚筒采煤机, 这是我国第一台以螺 旋滚筒为工作机构, 集破煤、 装煤为一体的采煤机, 电 动机功率为 60 k W; 钢丝绳牵引。采用叶片泵、 叶片 马达驱动的中低压液压调速系统。 1965年开始自行 研制新型的 MLD- 100型单滚筒采煤机, 其液压调速 的元部件采用变量轴向柱塞泵、 低速大扭矩油马达, 采用矿用圆环链牵引, 电动机功率加大到 100 k W, 1970年试验成功。1971年针对 MLD- 100型采煤机 摇臂不能调高、 适应煤层较差的欠缺, 在总体结构上 做了较大改进, 研制出摇臂可以调高的 DY100 150 型单滚筒采煤机用于普采, 经过了多次改进试验, 于 1977年在山东肥城查庄煤矿, 实现了连续 7个月月 产超过 3万 t的稳产水平。后又将电机功率增大至 150 k W 并投入批量生产, 累计生产出 1 400多台, 用 于高档普采。 进入 20世纪 70年代后, 综采技术在国外普遍采 用, 我国也开始研制综采设备。 1970年为开发大屯 煤田, 上海研究院承担了缓倾斜中厚煤层综采成套设 备中的 MD- 150型双滚筒采煤机的设计工作, 上海 冶金矿山机械厂制造, 经过了淮北朱庄矿和大屯姚桥 矿两次工业性试验获得成功。这是我国自行研制的 第一套综采成套设备中的主机, 但是在设备的可靠性 和性能方面与国外综采设备相比存在 较大的差 距 [ 1- 2]。 112 引进、 仿制、 研制并举阶段 为了满足煤炭生产的需要, 1973 1974年间, 我 国先后从国外引进 43套综采成套设备, 1975年鸡西 煤矿机械厂测绘仿制德国 EDW - 170采煤机, 改型 为 MLS3- 170型采煤机投入大批量生产, 大大推进 我国煤矿机械化的进程。 1978 1979年我国又从国 外引进了 100套综采成套设备, 国外的设备严重冲击 我国煤矿机械市场; 国外设备的先进技术也展现在国 人的面前, 如何发展我国的采煤机技术提到了议事日 程, 开始形成了仿制和自主研发的两种观点, 1980年 在上海召开的莘庄会议达到了高潮, 最后形成了以煤 炭部制造局和隶属的西安煤矿机械厂为首的主张测 绘仿制德国的 EDW - 300型采煤机; 以煤炭科学研 究总院和隶属的上海分院与鸡西煤矿机械厂强强联 合, 主张在消化吸收国外先进技术的基础上自行开发 研制 MG300- W 型采煤机, 并在国家科委的大力支 持下列为 /六五0期间国家重点科技攻关项目。与此 同时太原矿山机器厂引进英国安德森公司的 AM - 500型采煤机图纸和技术, 进行生产。这 3种机型的 采煤机及其派生机型在相当长的一段时间内成为我 国煤矿综采成套设备中的主力机型 [ 1- 2]。 在这个阶段, 我国生产的采煤机产品的性能、 技 术水平、 可靠性等方面比 20世纪 70年代生产的采煤 机有了较大的完善和提高。其主要技术特点 1采用液压牵引、 无级调速, 具有较大的牵引 力和牵引速度。 2采用无链牵引, AM - 500型和 MG300- W 型采煤机采用销轮 - 齿条式无链牵引机构; MXA - 300型采煤机采用齿轮 - 销轨式无链牵引机构。无 链牵引机构与圆环链相比, 安全、 可靠, 牵引力大。 3元部件的可靠性也有了较大的提高, 如油 泵、 油马达、 冷却器、 制动器、 齿轮的材质和工艺、 壳体 的加工精度等是 20世纪 70年代采煤机无法比拟的。 4整机总体结构上采用主电机平行机身的布 置方式, 即纵向布置方式, 机身各部存在动力传递, 有 底托架支撑。 113 自主开发和系列机型发展阶段 针对仿制和研制中出现的技术问题, 我国进行了 大量的科技攻关与研究, 积累了宝贵的经验, 打下了 自主开发创新的技术基础 [ 5]。从 20世纪 80年代后 期至 90年代中期的近 10 a的间, 我国采煤机设计、 开发进入了大发展阶段 [ 6- 10]。仅上海分院就自主开 发了中厚煤层采煤机五大系列 30余个品种, 其中 400 k W 系列 4种、 375 k W 系列 8种、 300 k W 系列 7 种、 200 250 k W 系列 8种、 150 k W 系列 8种。在此 期间, 上海分院还开发了难采煤层采煤机 短壁工作 面采煤机、 大倾角采煤机、 薄煤层采煤机以及爬底板 采煤机共计 8个品种, 有效解决了我国难采煤层的机 械化采煤的难题 [ 1- 2] 。 值得一提的是, 在发展纵向布置采煤机系列化的 同时, 还自主研发了首台多电机驱动横向布置框架式 结构的新型 MG200/475- W 型液压牵引采煤机, 为 以后横向布置的电牵引采煤机的发展奠定了基础, 该 采煤机的主要技术特点 1899 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 1 截割电机横向布置在摇臂上, 摇臂成为独立 部件, 与机身没有动力传递, 取消了螺旋伞齿轮和横 穿机身的通轴结构。 2所有截割反力、 牵引力和调高油缸的支撑反 力均由牵引壳体承受, 受力状况好。 3机身分 3段, 取消底托架, 采用高强度液压 螺栓副联结, 防松效果好。 4各动力部件都有电机单独驱动, 主要部件间 无动力传递, 便于积木式系列化发展。 以上液压牵引、 纵向布置系列化采煤机上海分院 都转让给我国各大采煤机生产厂家进行批量生产, 成 为我国煤矿机械化生产的主力机型。 114 电牵引采煤机发展阶段 在我国致力于发展液压牵引采煤机的同时, 国外 主要采煤机生产公司已经开始研制电牵引采煤机。 从 1976年美国 JOY公司研制出世界第一台多电机 横向布置直流电牵引采煤机开始, 采煤机技术的发展 进入一个崭新的阶段。在 20世纪 90年代初, 我国先 后引进电牵引采煤机 晋城矿务局引进德国艾柯夫公 司生产的 EDW - 450/1000L 型直流电牵引采煤机, 潞安矿务局引进英国 Electric1000型直流电牵引采煤 机, 鹤岗矿务局引进美国 3LS直流电牵引采煤机, 大 同矿 务 局 引 进 日本 三 井 三 池 的 MCL - 600 - DR102102型交流电牵引采煤机。由于电牵引采煤机 具有抗污染能力强、 故障率低、 寿命长、 效率高等优 点, 其优越性是液压牵引采煤机所不能比拟的 [ 3]。 我国于 20世纪 80年代中期开始步入电牵引采 煤机的发展阶段。在发展我国电牵引采煤机的过程 中, 存在两种不同的观点 发展直流电牵引采煤机还 是交流电牵引采煤机 以煤炭科学研究总院上海分 院为代表率先于 1986年与波兰 KOMAG 合作开发 MG344- PWD型交流变频电牵引薄煤层爬底板采煤 机, 1992年在大同矿务局试验成功。 1994年鸡西煤 机厂在测绘美国 3LS采煤机基础上开发了 MG463- WD直流电牵引采煤机, 同时, 太原矿机厂引进英国 安德森公司技术, 生产 Electric1000型直流电牵引采 煤机, 西安煤机厂也致力于发展直流电牵引采煤机。 由于直流电牵引采煤机中的直流电动机存在电刷与 整流子磨损, 寿命短、 电刷易产生火花等问题无法有 效解决, 直流电牵引采煤机在我国发展受阻。随着电 子技术的发展, 交流变频调速技术在 20世纪 90年代 取得了突飞猛进的发展, 变频技术日趋成熟, 使用十 分方便, 只要用普通三相鼠笼交流电动机就可以实现 变频调速, 其优越性凸现。经过了近 10 a的摸索, 终 于统一了认识 交流变频调速、 多电机驱动横向布 置采煤机是电牵引采煤机的发展方向。从此, 我国交 流电牵引采煤机开始进入蓬勃发展时期 [ 3]。 2 国内外采煤机技术差距 经过近 50 a的发展, 我国采煤机技术取得了长 足的发展, 以天地科技股份有限公司上海分公司为代 表的采煤机制造企业开发了采高范围 018 711 m、 总装机功率 60 2 550 k W 具有自主知识产权的采煤 机系列产品, 目前最大单摇臂截割电机功率达到 1 000 k W, 单牵引电机功率达到 150 k W, 截割功率和 总装机功率也越来越大。与美国 JOY, 德国 DBT 和 Eickhoff为代表的国外先进采煤机相比, 国内采煤机 某些关键部件的可靠性、 功能、 适应范围还急待完善 和提高, 在总体技术、 机械传动、 电气系统性能方面尚 有一定差距 [ 11]。 211 产品可靠性差距大 由于我国现代基础工业发展比较晚, 导致我国在 原材料、 关键零部件等方面和先进国家有很大差距。 这些问题造成了我国采煤机产品可靠性不高, 寿命偏 低。如采煤机齿轮寿命国内一般达不到 1万 h , 而国 外先进采煤机齿轮寿命超过了 2万 h 。 212 生产制造工艺、 手段相对落后 在加工中, 我国的零部件基本还都是普通加工设 备来完成, 加工精度难以保证。在装配过程中, 国内 还相对粗放, 没有特别完善可靠的装配工具和先进的 装配工艺。 213 故障检测、 通信传输、 自动化控制方面还有很大 的差距 国外大功率电牵引采煤机均采用微机控制, 传感 器多, 信息量大; 带有数字和文字、 图形、 曲线显示; 具 有非常强大的信息处理功能和非常友好的人机交互 界面。而国内电牵引采煤机主要采用微机控制或者 PLC控制, 传感器少, 信息量也较国外先进采煤机要 少很多, 功能相对较差, 人机交互功能也不够完善。 国外先进的采煤机上安装有高清晰低光摄像头, 在线监测煤机位置, 并将视频信号通过随机光缆传至 回采巷道控制台监视计算机。国内采煤机自动化控 制、 通信、 图像传输等方面还处于起步阶段, 从严格意 义上来说还没有国内采煤机厂家生产出具备远程通 讯、 集中控制或集中监控功能的采煤机。采煤机远程 通讯技术是创建自动化工作面的先决条件, 这方面国 产采煤机较国外先机采煤机存在很大的差距 [ 12- 14]。 214 基础理论研究深度不够 在注重基础理论研究方面, 与国外先进采煤机生 产公司有着较大的差距。近年来国内采煤机企业为 1900 第 11期张世洪 我国综采采煤机技术的创新研究 了生存, 注重追求市场和利润, 忽视基础理论的研究; 注重新机型的开发, 缺少对采煤机自适应控制系统、 显示与信息远程传输系统、 故障专家在线诊断系统、 高可靠矿用计算机控制系统等的深入研究。 例如 准确区分煤岩界面技术方面, 美、 英等国进 行了大量研究, 目前已经提出了近 20种煤岩分界传 感机理, 已应用于生产实际或正处于研究和试验阶段 的几种煤岩识别系统的主要有 记忆智能程控、 C射 线、 振动频谱分析、 测力截齿、 噪声、 红外线、 雷达探测 等。 我国在煤岩分界传感技术的研究方面, 曾于 20 世纪 80年代初一些煤炭院所对采煤机自动调高技术 做了大量工作 中国矿业大学曾在鸡西煤机厂的采煤 机上做过基于记忆截割技术的自动调高地面试验, 但 未能推广使用; 中国矿业大学还通过测试调高油缸的 液压振动来进行煤岩识别, 但只做过实验室试验。黑 龙江科技学院还进行过天然 C射线理论和试验研 究, 由于探测器等原因, 也未能有所突破。近 10 a 来, 我国煤机行业的各大院所和生产厂家未曾有关于 研究煤岩分界和自动调高方面技术的报道。 加强采煤机核心技术的研究, 缩小和国外的差 距, 是摆在我们面前的重要任务, 也是我国采煤机赶 超世界先进水平的前提条件。 3 采煤机技术发展的趋势 近几年来, 在高新技术的推动下, 安全高效综采 装备的开发研制取得了重大发展。美国 JOY、 德国 DBT和 E ickhoff公司等世界先进采煤机械制造商推 出了新一代综采设备, 在整机设计、 技术性能等方面 有了新的发展。随着国际采煤自动化程度的快速发 展, 采煤机必须能满足井下无人工作面发展的需要, 未来采煤机主要特征表现为 安全、 高效、 可靠、 自动 化、 适应性强、 智能网络化等方面。 311 强力销轨式牵引系统 随着装机功率和牵引力和牵引速度的增大, 对采 煤机牵引系统有了更高的要求。开发高强度、 高适应 性、 高可靠性、 大节距、 长寿命的强力销轨式牵引系统 是高产、 高效采煤机的必然趋势。 312 基于网络化、 模块化的分布式电气控制系统 随着电气控制技术的发展, 采煤机模块化、 网络 化分布式的控制系统十分必要。该系统按功能划分 模块, 其控制系统可以根据用户需要, 通过不同的模 块组成不同自动化程度的控制系统。这些模块包括 中央处理器模块、 传感中心模块、 网络通讯模块、 记忆 截割模块、 故障分析模块、 安全检测模块、 工作面三机 联动控制模块。这些模块为采煤机远程控制技术发 展奠定了非常好的基础。 313 基于采煤机械产品寿命周期的现代设计分析技 术 采用现代设计和分析方法是提升采煤机设计可 靠性的必要手段。虚拟样机技术是先进设计和制造 技术发展的方向, 为产品提供了从设计、 工艺、 制造、 装配、 分析、 检测及维护的全过程仿真, 是企业实现制 造业信息化的强有力工具。随着计算机技术的飞速 发展, 虚拟样机技术也得到了快速发展。通过三维造 型, 对产品进行虚拟装配、 制造、 试验、 有限元仿真技 术。虚拟样机技术的应用提高了产品的设计质量, 优 化工艺过程, 缩短了新产品的研制周期。 314 采煤机自动化开采技术 要实现一个工作面的自动化开采, 必须要解决好 采煤机、 刮板输送机和液压支架这 3种主要设备间工 作信号数据的有效传递。 31411 采煤机记忆割煤技术 采煤机自适应控制技术是实现我国无人化综采 工作面的关键技术, 记忆截割恰恰是该技术的突破 口。通过示范刀学习, 采煤机中央处理器通过监测摇 臂传感器的角度变化计算滚筒位置, 记录采煤机在工 作面内任一位置对应的滚筒高度参数, 并根据左右牵 引部大齿轮上速度传感器自动计算采煤机位置和方 向。所有实现自动化开采所需参数如采高、 卧底量、 滚筒位置等可准确确定并精确控制, 同时可存储、 传 输、 读取。采煤机切割高度能够随煤层变化而自动调 整。这是实现远程控制采煤机首先要解决的问题。 31412 采煤机与液压支架联动技术 支架可以及时获得采煤机的位置和方向信息, 并 根据这些信息自动控制支架的动作。采煤机和支架 间的信息传输、 电液系统的自动控制是实现采煤机与 支架联动的关键技术。 31413 采煤机与工作面输送系统的协调控制 综采工作面输送系统的工作状态也是决定采煤 机行走速度的关键因素。如工作面刮板输送机和带 式输送机出现运量超限等问题时, 能自动及时调整采 煤机的工作参数。 31414 工作面随机成像系统 在采煤机上安装高清晰低光摄像头, 随机监测滚 筒位置, 并将视频信息通过随机光缆传至回采巷道控 制台计算机。操作人员可以在工作面输送机头通过 监视计算机监视采煤机工作情况。 31415 自动化信息通信技术 保证远程协同控制需要采煤机和配套设备的大 1901 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 量信息参数决策控制。这就要综采工作面建立光缆 矿用通信网络。通过光缆信号传输, 实现采煤机与支 架主控计算机、 支架主控计算机与支架及相邻两架之 间的通信。视频监视计算机又通过单模光缆组成局 域网络。所有的信号数据通过上传系统传输至地面 调度室, 实现综采工作面的信息传输、 交互和地面远 程控制 [ 13- 14]。 4 结 语 经过半个多世纪, 特别是采用综采技术后的 40 a 的发展, 我国采煤机技术已日益成熟, 并形成了适应 不同开采条件的综采成套设备相配套的系列采煤机 产品。但是目前我国与国外先进煤机技术上还存在 差距, 特别是在机组可靠性、 远程监控、 自动化控制等 方面尤为突出。在今后的发展中, 要加强采煤机设计 理论和方法、 材料和工艺、 检测方法、 传感器技术、 自 动化作业等方面的开发和研究。 参考文献 [ 1] 张世洪,汪崇建, 刘振坚. 我国滚筒式采煤机技术现状与发展趋 势 [A ]. 煤矿安全与机械化 采、 掘、 运装备论文集 [ C]. 2006 . 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