采煤機(jī)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展分析

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摘要：回顧了我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程，闡述了我國(guó)采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀，并與國(guó)外先進(jìn)采煤機(jī)技術(shù)對(duì)比，分析了與國(guó)際先進(jìn)采煤機(jī)技術(shù)的差距，指出我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向應(yīng)為高效高適應(yīng)性總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、可靠性技術(shù)、關(guān)鍵零部件材料與熱處理工藝開(kāi)發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)、智能化控制技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；技術(shù)創(chuàng)新；發(fā)展方向

引言

采煤機(jī)是煤礦井工綜合機(jī)械化開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備。我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代初期，歷經(jīng)引進(jìn)仿制到自主開(kāi)發(fā)階段。經(jīng)過(guò)近60a的積累、沉淀與發(fā)展，我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)取得了一系列研究成果，從無(wú)底托架、多電機(jī)橫向布置整體布置，到具有高強(qiáng)度搖臂、高速行走系統(tǒng)等高可靠性部件及完善智慧化的電控等特點(diǎn)的系列化產(chǎn)品，適用一次采全高范圍由0.8m的極薄煤層到9m的特厚煤層。我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)在一些領(lǐng)域內(nèi)已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)甚至國(guó)家領(lǐng)先水平。

1我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

處在工業(yè)4.0的新技術(shù)變革期，近年來(lái)電牽引采煤機(jī)技術(shù)取得重大發(fā)展，小松JOY、德國(guó)Eick-hoff、上海天地等具有行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的公司紛紛推出了新一代綜采設(shè)備。當(dāng)前采煤機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)：（1）功率密度越來(lái)越大，牽引速度越來(lái)越快當(dāng)前礦井向高產(chǎn)高效、集約化生產(chǎn)發(fā)展，采煤機(jī)對(duì)工作面地質(zhì)條件的適應(yīng)性、產(chǎn)品本身可靠性、可使用率等方面要求越來(lái)越高，相應(yīng)的整機(jī)功率密度和截割功率密度越來(lái)越大，以適應(yīng)高產(chǎn)及硬煤、矸石和強(qiáng)過(guò)斷層以及開(kāi)解放層的生產(chǎn)需要。為了滿(mǎn)足高效快速截割的需求，要求采煤機(jī)行走系統(tǒng)具有牽引力大、牽引速度快、整體可靠性高等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)機(jī)組單搖臂最大截割功率達(dá)到1250kW，單牽引功率達(dá)到250kW，最大工作牽引速度達(dá)到17.5m/min，調(diào)動(dòng)牽引速度達(dá)到35m/min。薄煤層采煤機(jī)在機(jī)面高度小于750mm的情形下，截割功率已達(dá)到450kW，總裝機(jī)功率1050kW；機(jī)面高度小于900mm的情形下，截割功率已達(dá)到500kW，總裝機(jī)功率1200kW。適于特厚煤層開(kāi)采的超大型采煤機(jī)也已成功應(yīng)用，最大一次采全高9.0m。該種機(jī)型的成功研制，提高了資源回采率，標(biāo)志著我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)在國(guó)際上達(dá)到了新的高度，推動(dòng)了整個(gè)煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。（2）高速高可靠的大節(jié)距行走系統(tǒng)齒輪-強(qiáng)力銷(xiāo)軌結(jié)構(gòu)牽引方式具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足采煤機(jī)裝機(jī)功率、牽引力和牽引速度的增大對(duì)其行走系統(tǒng)可靠性的要求。采用速度快、強(qiáng)度高的齒輪-銷(xiāo)軌結(jié)構(gòu)行走系統(tǒng)是現(xiàn)代綜采技術(shù)發(fā)展的必然選擇。目前銷(xiāo)軌節(jié)距已從126mm發(fā)展到147mm、151mm。最新推出節(jié)距為172mm、176mm大節(jié)距強(qiáng)力銷(xiāo)軌，相應(yīng)采煤機(jī)的牽引力從60t級(jí)提高到100t級(jí)、150t級(jí)，采煤機(jī)行走系統(tǒng)的可靠性和使用壽命大大提高。天地科技股份有限公司上海分公司于2018年成功開(kāi)發(fā)了凹凸齒形無(wú)鏈牽引行走系統(tǒng)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)齒形、材料與工藝優(yōu)化以及表面強(qiáng)化和大深層滲碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)行走系統(tǒng)使用壽命不低于120d或過(guò)煤量大于4Mt。（3）高強(qiáng)度搖臂殼體為滿(mǎn)足高強(qiáng)度、高頻沖擊性負(fù)載的搖臂工況需要，要求搖臂殼體具有較好的綜合機(jī)械性能，即在具有較高抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還具有較好的塑性、韌性。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有搖臂殼體用材ZG25MnNi、ZG270-500在煤礦上的實(shí)際使用情況表明，由于這2種材料強(qiáng)度和硬度都比較低，對(duì)高強(qiáng)度采煤和惡劣的工況條件越來(lái)越不適應(yīng)，在使用時(shí)間不久后搖臂殼體易發(fā)生變形、拉裂等質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重制約了設(shè)備可靠性和生產(chǎn)效率的提高。天地科技股份有限公司上海分公司通過(guò)對(duì)采煤機(jī)殼體材料、鑄造工藝、殼體后續(xù)熱處理方法和加工方法等方面多年的深入研究，于2015年研制出CrNiMo系新材料，形成了整套的生產(chǎn)、加工工藝。

新研制的搖臂殼體硬度大于HB200，抗拉強(qiáng)度大于700MPa，屈服強(qiáng)度不小于550MPa，伸長(zhǎng)率不小于17%，收縮率不小于35%，沖擊功AkV≥40J，使采煤機(jī)搖臂殼體綜合機(jī)械強(qiáng)度大幅提高，基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。（4）完善的電控保護(hù)功能與自動(dòng)化控制系統(tǒng)當(dāng)前采煤機(jī)電控系統(tǒng)具有較全面的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，如瓦斯超標(biāo)斷電保護(hù)、與輸送機(jī)之間的電氣閉鎖、溫度監(jiān)測(cè)和熱保護(hù)、功率監(jiān)測(cè)和恒功率自動(dòng)控制及過(guò)載保護(hù)漏電閉鎖。采煤機(jī)具有故障自診斷專(zhuān)家系統(tǒng)，具有參數(shù)記憶功能，有助于分析查找系統(tǒng)故障原因，能自動(dòng)跟蹤記錄系統(tǒng)參數(shù)異常以及出現(xiàn)可保護(hù)性故障時(shí)采煤機(jī)的工作參數(shù)，便于分析和處理。隨著信息工業(yè)化的發(fā)展，采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)逐步發(fā)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)和工作面配套設(shè)備間的通信，基本實(shí)現(xiàn)綜采工作面的信息傳輸、交互和地面遠(yuǎn)程控制，滿(mǎn)足了自動(dòng)化開(kāi)采需求。采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)工作在記憶截割學(xué)習(xí)模式、自動(dòng)重復(fù)操作模式、在線學(xué)習(xí)（修改）模式以及采煤機(jī)與順槽集控中心數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向通信。（5）負(fù)載敏感技術(shù)成功在采煤機(jī)上應(yīng)用負(fù)載敏感比例閥具有速度負(fù)載特性好、通流量不受負(fù)載變化的影響、泵流量足夠、執(zhí)行復(fù)合動(dòng)作時(shí)各執(zhí)行器互不干擾的特點(diǎn)，在采煤機(jī)上應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的電氣-液壓控制，實(shí)現(xiàn)滾筒位置的連續(xù)控制和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。（6）虹膜識(shí)別技術(shù)天地科技股份有限公司上海分公司于2019年基于虹膜技術(shù)開(kāi)發(fā)出的礦用本安型虹膜采集/識(shí)別一體裝置，成功將虹膜識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)開(kāi)機(jī)安全控制上。該技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別采煤機(jī)操作人員級(jí)別，并有針對(duì)性的開(kāi)放其權(quán)限，包括采煤機(jī)啟動(dòng)、以及各級(jí)電機(jī)上電啟動(dòng)權(quán)限、參數(shù)訪問(wèn)權(quán)限、操作提示等。（7）LASC系統(tǒng)智能化應(yīng)用LASC系統(tǒng)采用高精度慣性陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)測(cè)量采煤機(jī)在井下三維空間的坐標(biāo)位置；LASC技術(shù)可以建立精確的煤田3D軌跡模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找直功能保持長(zhǎng)壁工作面的直線度。天地科技股份有限公司上海分公司于2015年將LASC綜采自動(dòng)化技術(shù)從澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織（CSIRO）引進(jìn)到國(guó)內(nèi)，并與2016年成功在兗州煤業(yè)轉(zhuǎn)龍灣礦示范應(yīng)用。首次在國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)上實(shí)現(xiàn)了高精度的三維空間定位和運(yùn)行軌跡的檢測(cè)，在實(shí)際工況條件下達(dá)到了300m長(zhǎng)工作面小于10cm的定位測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)軌跡檢測(cè)對(duì)工作面液壓支架和刮板輸送機(jī)自動(dòng)對(duì)齊找直的技術(shù)支持。

2國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)技術(shù)差距

目前，在高端采煤機(jī)領(lǐng)域雖然從技術(shù)參數(shù)上看，國(guó)產(chǎn)裝備與國(guó)際先進(jìn)采煤機(jī)相比總體參數(shù)接近，產(chǎn)品裝機(jī)功率、開(kāi)采范圍、地質(zhì)條件適應(yīng)性等甚至超過(guò)國(guó)外，但在產(chǎn)品可靠性方面仍存在較大差距。產(chǎn)品可使用率普遍低于90%，整機(jī)及關(guān)鍵零部件使用壽命明顯低于國(guó)外同類(lèi)水平。主要表現(xiàn)在：（1）整機(jī)及關(guān)鍵零部件可靠性技術(shù)差距受限于民族基礎(chǔ)工業(yè)的現(xiàn)狀，致使我國(guó)在基礎(chǔ)材料、機(jī)加工、熱處理等方面和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距。這些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題造成了我國(guó)采煤機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵零部件等產(chǎn)品在使用中可使用率和可靠性偏低。如整機(jī)壽命國(guó)產(chǎn)機(jī)組過(guò)煤量一般在1300萬(wàn)t，國(guó)外先進(jìn)采煤機(jī)整機(jī)壽命過(guò)煤量一般達(dá)到2000萬(wàn)t；傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪壽命1萬(wàn)h，大約是國(guó)外先進(jìn)采煤機(jī)壽命的50%；電氣控制系統(tǒng)、控制模塊抗振性能不夠，整體可靠性較國(guó)外先進(jìn)采煤機(jī)具有較大差距。（2）生產(chǎn)技術(shù)差距較大在生產(chǎn)制造中，雖然部分企業(yè)已配置進(jìn)口磨齒機(jī)、熱處理爐等先進(jìn)設(shè)備，但是采煤機(jī)殼體等基本還是用普通加工設(shè)備來(lái)完成，加工精度難以保證。在裝配過(guò)程中，裝配工藝落后、裝配工具不完善，長(zhǎng)期處于裝而不配，設(shè)計(jì)配合精度難以達(dá)到最優(yōu)化。（3）基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)國(guó)內(nèi)不少院校、科研院所和企業(yè)都在研究基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)，也取得了一定的成績(jī)。如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的地理信息系統(tǒng)于2015年成功應(yīng)用于山西某煤礦18201工作面，并取得了不錯(cuò)的效果。但較澳大利亞、美國(guó)等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，慣性陀螺儀的定位誤差還比較大，比如同樣的300m工作面，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織精度誤差可以控制在10cm以?xún)?nèi)，而我國(guó)技術(shù)在50cm以上。（4）采煤機(jī)碰撞干涉預(yù)警技術(shù)天地科技股份有限公司上海分公司于2019年率先在采煤機(jī)搖臂截割干涉預(yù)警技術(shù)方面做了探索與嘗試。采用60GHz工業(yè)級(jí)毫米波雷達(dá)傳感器，用于采煤機(jī)在截割煤過(guò)程中檢測(cè)采煤機(jī)左右截割滾筒與工作面支架的干涉情況。較國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，識(shí)別度和可使用率還有一定差距。加強(qiáng)采煤機(jī)核心技術(shù)的研究，縮小和國(guó)外先進(jìn)水平的差距，是擺在國(guó)內(nèi)煤研人面前的重要任務(wù)，也是我國(guó)采煤機(jī)趕超世界先進(jìn)水平的前提條件。

3我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)發(fā)展方向

（1）高效高適應(yīng)性總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)我國(guó)煤炭資源分布廣泛，煤炭資源的賦存條件、煤質(zhì)特性等差異顯著，不同煤層厚度煤炭資源的開(kāi)采都有各自特定的復(fù)雜要求。尤其是隨著易采煤層的減少，大傾角、急傾斜、薄煤層、斷層與解放層開(kāi)采、特厚煤層一次采全高等復(fù)雜煤層開(kāi)采所占比重日益增加，且隨著煤炭開(kāi)采向中西部轉(zhuǎn)移，地質(zhì)條件更趨多樣化和復(fù)雜化，對(duì)煤機(jī)裝備在薄煤層、特厚煤層等特定工況下的安全性、適應(yīng)性及效能發(fā)揮等提出嚴(yán)重考驗(yàn)，亟需在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)電液深度融合等方面取得突破，開(kāi)發(fā)高適應(yīng)性難采煤層高效自動(dòng)化綜采成套技術(shù)與裝備、高適應(yīng)性快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備，以滿(mǎn)足煤礦安全高效綠色智能開(kāi)采要求。（2）整機(jī)及關(guān)鍵零部件可靠性技術(shù)開(kāi)展高功率密度整機(jī)技術(shù)研究、長(zhǎng)壽命截割機(jī)構(gòu)研發(fā)、關(guān)鍵零部件材料與熱處理工藝開(kāi)發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用、專(zhuān)用高可靠性變頻器關(guān)鍵技術(shù)、高能效液壓動(dòng)力技術(shù)研究等是今后提高整體可靠性技術(shù)的發(fā)展方向。（3）智能控制關(guān)鍵技術(shù)回采工作面綜采智能控制技術(shù)與裝備水平大幅提高，以“兩化”深度融合為著力點(diǎn)，建成了以神東錦界煤礦、黃陵一號(hào)煤礦等條件較好的工作面為代表的百余個(gè)智能化工作面，并取得較好示范效果。但由于煤層賦存及開(kāi)采地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在大多數(shù)普通條件的工作面，自動(dòng)跟機(jī)移架、自動(dòng)截割三角煤、記憶截割等功能應(yīng)用效果不佳，煤巖識(shí)別、精確推溜等智能化技術(shù)仍停留在技術(shù)研發(fā)階段。圍繞全面感知、智能決策與安全可靠執(zhí)行，發(fā)展煤巖界面自動(dòng)識(shí)別與自動(dòng)調(diào)高技術(shù)、裝備自主精確定位和工作面自動(dòng)取值技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、觸覺(jué)技術(shù)、液壓支架集群控制技術(shù)及電液控制技術(shù)、綜采工作面通信控制技術(shù)等是今后技術(shù)發(fā)展方向。

4結(jié)語(yǔ)

我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)60余a的發(fā)展，取得了顯著的成果，形成了完備的技術(shù)體系，研制出了適應(yīng)不同地質(zhì)條件的系列化產(chǎn)品。但是與國(guó)際先進(jìn)水平相比，目前我國(guó)采煤機(jī)整體技術(shù)還有差距，特別是在整機(jī)及關(guān)鍵零部件的可靠性、智能化控制、故障自診斷等方面尤為突出。未來(lái)采煤機(jī)技術(shù)要加強(qiáng)傳動(dòng)系統(tǒng)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度材料和熱處理工藝、多信息融合的智能開(kāi)采等方面創(chuàng)新和研究。

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作者：徐衛(wèi)鵬 單位：天地科技股份有限公司上海分公司