葛紅兵

(天地科技股份有限公司上海分公司,上海 200030)

大功率采煤機(jī)的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展展望

葛紅兵

(天地科技股份有限公司上海分公司,上海 200030)

闡述了為適應(yīng)大型煤礦建設(shè)需要,采煤機(jī)功率配置變化,大功率采煤機(jī)已作為煤礦高效開采的主要設(shè)備。介紹了大功率電牽引采煤機(jī)國內(nèi)外當(dāng)前應(yīng)用情況,分析了國內(nèi)大功率采煤機(jī)在總體技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動技術(shù)、電氣系統(tǒng)性能方面的差距及其今后發(fā)展趨勢。

采煤機(jī);對比分析;發(fā)展趨勢

當(dāng)前,國家大力發(fā)展大型煤礦建設(shè),作為煤礦開采的核心設(shè)備之一的采煤機(jī)也迎來了一輪新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。2006年國內(nèi)使用進(jìn)口大功率采煤機(jī)的綜采工作面,最高單產(chǎn)已超過 10Mt/a。截止目前,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國內(nèi)各大煤礦先后引進(jìn)國外大功率采煤機(jī) (按裝機(jī)功率 1600kW以上)30臺以上,而自 2005年起始,國內(nèi)各主要采煤機(jī)制造公司共生產(chǎn)大功率采煤機(jī) 30臺以上。隨著全球煤礦開采裝備技術(shù)水平及產(chǎn)能的不斷提高,國內(nèi)煤礦綜合機(jī)械化開采水平也有長足發(fā)展。為滿足大型煤礦基地的生產(chǎn)需要,大功率采煤機(jī)于 2004年列入國家科技部項(xiàng)目“4～5m厚煤層綜采關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備”的子項(xiàng),2006年列入國家發(fā)改委項(xiàng)目“年產(chǎn) 600萬噸綜采成套裝備研制”的子項(xiàng),目前已結(jié)項(xiàng)。大功率采煤機(jī)作為煤礦井下高效開采方法的主要設(shè)備,對其結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)等提出了越來越高的要求。對于大功率采煤機(jī),這里指的是總裝機(jī)功率在 1600kW以上的電牽引采煤機(jī)。

1 國內(nèi)外大功率采煤機(jī)的應(yīng)用

目前能提供系列大功率采煤機(jī)的國外公司有德國 Eickhoff公司、美國 JOY公司、美國 Bucyrus公司 (收購德國 DBT公司)等;國內(nèi)有天地科技上海分公司、國際煤機(jī) (收購雞西煤礦機(jī)械有限公司)、西安煤礦機(jī)械有限公司、太原礦山機(jī)械制造有限公司等。

各采煤機(jī)供應(yīng)商已開發(fā)出近 15種機(jī)型供市場選擇,表 1所示為國內(nèi)外典型大功率采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù),除此之外,還有 Eickhoff公司的 SL750型;JOY的 7LS6型;天地科技 MG750/1815型、MG900/2215型;西安的 MG650/1630型、MG900/2210型等典型機(jī)型。

目前,國內(nèi)各大煤炭生產(chǎn)基地普遍采用大功率采煤機(jī)對 4.5～6.5m煤層進(jìn)行一次采全高安全高效開采。生產(chǎn)能力普遍能達(dá)到日產(chǎn) 15～30kt[2]。

作為國家發(fā)改委項(xiàng)目 “年產(chǎn) 600萬噸綜采成套裝備研制”的子項(xiàng)的工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn),神華集團(tuán)金烽公司昌漢溝煤礦采用天地科技上海分公司生產(chǎn)的MG750/1815-G WD型采煤機(jī)。715103工作面基本情況為,煤層平均厚 4.8m,采高 4.3m,工作面走向長 2032m,傾斜長 300m,傾角 1～3°,2007年 6月份產(chǎn)量 620kt,7月份產(chǎn)量 670kt,8月份產(chǎn)量 740kt,最高日產(chǎn) 33kt,平均工效達(dá)到 160t/工,接近國際引進(jìn)綜采機(jī)組的先進(jìn)水平。特別是2008年在礦井主運(yùn)輸改造后,產(chǎn)能得到釋放,該機(jī)組創(chuàng)造了最高日產(chǎn) 46kt,最高月產(chǎn) 1.08Mt,年產(chǎn) 10.15Mt的國產(chǎn)設(shè)備最好紀(jì)錄。表 2為該工作面 配套情況。

表1 國內(nèi)外大功率采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)對比

表2 配套設(shè)備及技術(shù)特征

2006年,美國著名的二十英里礦 (The Twentymile longwall coal mine)某工作面,采高 2.6～2.9m,工作面長度 305m,走向 3.6～4.5km,最大工作面傾角 10°,埋深 300～400m。主運(yùn)膠帶帶寬1.8m,運(yùn)量 5000t/h,帶速 4m/s。采用 EL3000采煤機(jī),配 U2000行走系統(tǒng),截深 900mm,行走速度 40m/min,平均產(chǎn)能 2700t/h,達(dá)到日產(chǎn)最高46340t。

2008年,神華集團(tuán)神東公司某工作面采高 1.5～2.0m,平均采高 1.8m,通過應(yīng)用自動化技術(shù),達(dá)到平均日產(chǎn) 9310t,日產(chǎn)最高 9730t,月產(chǎn)最高300kt。采用的采煤機(jī)為美國 JOY公司 7LS1A型,裝機(jī)功率 1162kW,截割功率 2×480kW,牽引功率 2×90kW,泵站功率 2×11kW,截深 1m,牽引速度 0～22～32m/min。

此外,對于 6m以上特厚煤層,神東礦區(qū)配置進(jìn)口機(jī)組一次采全高達(dá)到 6.5m,而神寧集團(tuán)配置國產(chǎn)設(shè)備,采煤機(jī)采用天地科技MG900/2245型,一次采全高達(dá)到 6.0m,搖臂首次故障過煤量達(dá)4.2Mt。目前,神東礦區(qū)正積極攻關(guān)一次采全高近7m的工作面開采,需配置更大功率采煤機(jī)。

2 國內(nèi)外大功率采煤機(jī)對比分析

與目前國外最先進(jìn)的大功率采煤機(jī)相比,國內(nèi)大功率采煤機(jī)在總體技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動技術(shù)、電氣系統(tǒng)性能方面尚有一定差距[3]。

2.1 總體技術(shù)

國外大功率采煤機(jī)總體技術(shù),目前處于行業(yè)國際領(lǐng)先地位。與之相比,國內(nèi)大功率采煤機(jī)在整機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)及可靠性、先進(jìn)性、適應(yīng)性等方面都存在一定的差距。表 3顯示了在總體參數(shù)、結(jié)構(gòu)、可靠性等方面的主要指標(biāo)對比。

表3 大功率采煤機(jī)配置主要指標(biāo)對比

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動技術(shù)

國內(nèi)采煤機(jī)某些關(guān)鍵部件的適應(yīng)性、可靠性還有待完善和提高,尤其是殼體材料強(qiáng)度、齒輪傳動制造技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、密封結(jié)構(gòu)可靠性等。

2.3 交流變頻電牽引技術(shù)

目前采煤機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)已從一拖二 (1臺變頻器拖動 2臺電動機(jī))發(fā)展到一拖一 (2臺變頻器分別拖動 2臺電動機(jī))。1999～2001年國家科技部“電牽引采煤機(jī)四象限運(yùn)行變頻調(diào)速及控制系統(tǒng)”項(xiàng)目的完成,使我國能量回饋型四象限運(yùn)行的交流變頻電牽引采煤機(jī)技術(shù)處在國際領(lǐng)先地位。

JOY電牽引采煤機(jī)牽引功率已達(dá) 2×150kW,變頻器電壓 575V。Eickhoff電牽引采煤機(jī)牽引功率已達(dá) 2×150kW,變頻器電壓 460V。目前國內(nèi)電牽引采煤機(jī)牽引功率已達(dá) 2×125kW,在研 2×150kW,變頻器電壓 380V。國內(nèi)交流變頻電牽引采煤機(jī)自動調(diào)速技術(shù)都已相當(dāng)成熟,能夠?qū)崿F(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩調(diào)速,額定轉(zhuǎn)速以上恒功率調(diào)速,及 2臺變頻器之間的主從控制和轉(zhuǎn)矩平衡。

2.4 電氣控制系統(tǒng)及自動化技術(shù)

隨著電子科技的進(jìn)步,國內(nèi)外大功率采煤機(jī)都對控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級。但是與進(jìn)口機(jī)組相比,國產(chǎn)采煤機(jī)在主控制技術(shù)、工況檢測和故障診斷技術(shù)、遠(yuǎn)程通訊和集中控制技術(shù)、少人工作面控制技術(shù)等方面仍有較大差距。國產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：截割電機(jī)恒功率控制;牽引電機(jī)負(fù)荷控制;各電機(jī)及變頻調(diào)速箱溫度顯示和熱保護(hù);變頻調(diào)速系統(tǒng)超頻、過載、過流、短路及漏電保護(hù);簡單的電氣系統(tǒng)的故障診斷等。此外,在電控防爆箱體的結(jié)構(gòu)布置、元件的體積控制、連線布置等細(xì)節(jié)方面也有著明顯的差距。

(1)采煤機(jī)主控制系統(tǒng) 近年來,美國 JOY公司的 7LS、德國 Eickhoff公司的 SL500等采煤機(jī)在主控制系統(tǒng)上都進(jìn)行了升級換代,JOY公司推出了改進(jìn)型 JNA控制系統(tǒng),Eickhoff公司將 M ICOS 68礦用微機(jī)系統(tǒng)升級為基于 IPC(裝有 AMD、166MHz處理器)的控制系統(tǒng),在檢測和顯示等方面具有許多共同的特點(diǎn),諸如檢測用的傳感器多,采用多個(gè)處理單元,相互間以串行總線形式通訊,連線少,處理速度快,能夠顯示瞬間變化的工況參數(shù)。人機(jī)交互界面非常直觀、方便、且功能強(qiáng)大。

國內(nèi)采煤機(jī)生產(chǎn)廠家一般采用大屏幕工控一體機(jī)加進(jìn)口可編程序控制器的控制系統(tǒng),也采用了多傳感器,多個(gè)處理單元,相互間以串行 R485總線通訊的分布式結(jié)構(gòu),但存在總線速度低,傳感器、處理單元質(zhì)量不夠穩(wěn)定的問題。天地公司上海分公司 1815采煤機(jī)則采用了 DSP芯片嵌入式主控系統(tǒng),處理速度快,升級空間大。

(2)工況檢測、故障診斷技術(shù) 比較而言,國外的大功率電牽引采煤機(jī)檢測點(diǎn)位多,故障診斷軟件功能強(qiáng)大,輸出顯示信息量大,帶有數(shù)字和文字、圖形、曲線顯示,具有強(qiáng)大服務(wù)功能和非常直觀的人機(jī)交互功能。

根據(jù)主控系統(tǒng)平臺的不同,國內(nèi)采煤機(jī)工況檢測、故障診斷存在檢測參數(shù)少、信息處理內(nèi)容少、顯示服務(wù)有待完善等不足,也用大屏幕顯示。以天地科技主控系統(tǒng)為例,其數(shù)字化嵌入式系統(tǒng)平臺與進(jìn)口機(jī)組功能接近,處理速度快,但由于傳感器應(yīng)用不足和信息處理服務(wù)有待提高等問題,仍與進(jìn)口機(jī)組功能存在一定差距。其監(jiān)測系統(tǒng)主要功能有：開機(jī)操作步驟中文提示、故障中文顯示及記憶、22種運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示、最新運(yùn)行狀態(tài)及故障信息、故障信息閃爍提示等。

(3)遠(yuǎn)程通訊和集中控制技術(shù) 引進(jìn)的 JOY 6LS5,7LS6,Eickhoff SL500,Eickhoff SL1000采煤機(jī)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、集中監(jiān)控和部分集中控制。巷道集中控制站與采煤機(jī)、液壓支架控制系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)相連。通過中繼站可與距離大于 5km的地面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器連接,后者把信號傳給礦井地面站。通過上述系統(tǒng),可以在巷道集中控制站實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備和巷道設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊和集中控制,但由于井下條件多變,及配套管理等種種原因,目前實(shí)際還只能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和集中監(jiān)控或局部意義上的集中控制,也有的是在特定的一段時(shí)期試用一下。

SL500,SL1000,6LS5和 7LS6采煤機(jī)機(jī)身上還裝備有紅外線發(fā)射器,支架接到信號后,通過電液閥系統(tǒng)可自動收放護(hù)幫板、移架、推溜。這就要求液壓支架帶有接收控制器以及電液控制系統(tǒng)。

比較而言,這方面與國外的差距較大,目前天地科技大功率采煤機(jī)可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與巷道控制箱的數(shù)據(jù)載波通訊,提供數(shù)字化礦山常用通訊數(shù)字接口,能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)定位檢測,具備了實(shí)現(xiàn)工作面三機(jī)聯(lián)動自動化的基礎(chǔ)。

(4)少人工作面控制技術(shù) 近幾年,以記憶截割技術(shù)為代表的少人工作面控制技術(shù)得到關(guān)注和大力地應(yīng)用研究。該技術(shù)是一種基于位置傳感器和計(jì)算機(jī)程序控制的技術(shù),引進(jìn)大功率采煤機(jī)上一般都配置有該功能,通過結(jié)合采煤機(jī)傾角傳感器、同步位置傳感器、油缸行程傳感器等的信息檢測,主控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行記憶儲存及按模式程序控制,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動調(diào)高和定位。

記憶截割方法是一種可以人工遠(yuǎn)程干預(yù)的自動化操縱方式,具有實(shí)用價(jià)值。目前在神東礦區(qū)試驗(yàn)多次,最近在 2m左右采高的較薄煤層高效開采項(xiàng)目上取得一定成效。國產(chǎn)的機(jī)組也已開發(fā)配置了該記憶截割功能,但都沒有進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。隨著位置傳感器、機(jī)身傾角傳感器、搖臂傾角傳感器等技術(shù)完善,記憶截割技術(shù)的推廣應(yīng)用將會有所突破。

3 發(fā)展趨勢

大功率采煤機(jī)的開發(fā)不僅僅是通過增大裝機(jī)功率和調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸來適應(yīng)一次采全高的需要,還要有提高其先進(jìn)性和可靠性,以滿足大型煤礦建設(shè)增產(chǎn)提效安全開采的需要。因此,隨著國際采煤自動化程度的快速發(fā)展,采煤機(jī)必須能滿足井下少人工作面發(fā)展的需要,未來開發(fā)的大功率電牽引采煤機(jī)一定是安全高效、高可靠性、高度自動化、具有很強(qiáng)適應(yīng)性、能遠(yuǎn)程控制的產(chǎn)品。

根據(jù)我國煤炭生產(chǎn)遠(yuǎn)景規(guī)劃及采煤機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢,今后國內(nèi)大功率采煤機(jī)的主要發(fā)展趨勢及研究方向有：

(1)提高產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),從而促進(jìn)提高設(shè)計(jì)水平、制造工藝水平,進(jìn)而提高可靠性。如新制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“MT/T1003.1-2006滾筒采煤機(jī)大修規(guī)范第 1部分：總則和整機(jī)部分”規(guī)定了整機(jī)和部件大修周期和壽命。

(2)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論。要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究,不能只重視引進(jìn)消化的仿形設(shè)計(jì),還要深入研究相應(yīng)的理論和手段,提高元部件的性能指標(biāo)。例如采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、高電壓采煤機(jī)供電系統(tǒng)前瞻性研究等。

(3)研究掌握核心技術(shù)。通過挖掘產(chǎn)品的核心技術(shù),從跟蹤仿制到自主創(chuàng)新,掌握核心技術(shù),以提高產(chǎn)品核心競爭力。例如加速研制基于記憶截割技術(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)化模塊化分布式電氣控制系統(tǒng)的完善;高牽引力行走系統(tǒng)等。

(4)應(yīng)用可靠性開發(fā)理論?？梢蕴岣弋a(chǎn)品整機(jī)到元部件的壽命;在規(guī)定條件下,提高首次故障時(shí)間,平均故障時(shí)間,平均修復(fù)時(shí)間;通過結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)法、管理上的概率分析法和信息技術(shù)上的 CAD/CAE虛擬制造等,進(jìn)而提高單設(shè)備和系統(tǒng)開機(jī)率,降低維修成本乃至噸煤成本。

(5)提高產(chǎn)品制造工藝。通過更新加工設(shè)備和深入研究工藝,嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管理要求,保證設(shè)計(jì)指標(biāo),進(jìn)而降低生產(chǎn)成本和制造引起的故障率。

(6)提升牽引速度和加大裝機(jī)功率。這是增產(chǎn)增效的必要手段,例如,在較薄和中厚煤層的開采中,為提高產(chǎn)能,采煤機(jī)通過加大牽引功率、提高牽引速度、配置更寬刮板輸送機(jī)等措施,對已有機(jī)型系列化或更新,達(dá)到相對大功率配置。如天地科技的MG320/710型、MG500/1300型,美國 JOY的 7LS1A型,德國 Eickhoff的 SL300加強(qiáng)型等。

4 結(jié)束語

當(dāng)前,國內(nèi)外大功率電牽引采煤機(jī)的適應(yīng)性、先進(jìn)性、可靠性都得到極大提高,能滿足現(xiàn)代化大型煤礦建設(shè)所需。尤其是國產(chǎn)大功率采煤機(jī)的推廣使用,意味著國內(nèi)采煤機(jī)裝備整體研制水平上了一個(gè)新臺階,同時(shí)極大地提高了采煤工作面生產(chǎn)能力,改善安全生產(chǎn)環(huán)境,滿足大型煤礦建設(shè)安全高產(chǎn)高效煤炭生產(chǎn)的需要,對我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有一定的推動作用。

[1]張世洪,等 .電牽引采煤機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J].煤礦機(jī)電,2000(5).

[2]高志明,等 .MG750/1815-G WD系列大功率厚煤層采煤機(jī)[J].煤礦開采,2008,13(6)：58-60.

[3]高志明 .大功率采煤機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向 [J].煤礦機(jī)電,2007(4).

Application of Coal Cutter with Large Power and Its Techn icalDevelopment Prospect

GE Hong-bing
(ShanghaiBranch,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Shanghai 200030,China)

For adapting construction need of large colliery,power configuration of coal cuttermust change and those with large power have become main equipment for high-efficiencymining.This paper introduced current application situation of coal cutterwith electric traction and large power in domestic and overseas.It also analyzed technical gap of domestic coal cutterwith large power from abroad in whole technology,structure design,trans mission technology and electric system performance and its develop tendency.

coal cutter;large colliery;comparative analysis;development tendency

TD421.6

A

1006-6225(2010)01-0004-04

2009-08-31

葛紅兵(1966-),男,江蘇揚(yáng)州人,高級工程師,主管采掘機(jī)械技術(shù)管理與研發(fā),現(xiàn)任分公司常務(wù)副總工程師兼總工辦主任。

鄒正立]