我国滚筒式采煤机技术现状与发展思考.docx

第46卷第10 期2014年第10期煤炭工程coal engineeingvol. 46，no. 10 no. 10，2014doi: 10. 11799 / ce201410013我国滚筒式采煤机技术现状与发展思考张世洪1，2(1. 天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030;2. 中国煤炭学会 煤矿机电一体化专业委员会，上海 200030)摘 要: 文章介绍了目前我国滚筒式采煤机的技术现状: 采煤机总体结构基本成熟、交流变 速调速成为主流，无链牵引型式基本统一、电气控制系统不断完善、关键零部件的可靠性得到提 高。接着对国内外采煤机的主要技术性能进行了对比分析，最后结合当前我国煤炭生产情况，对 今后我国采煤机技术的发展提出了建议与意见。关键词: 滚筒式采煤机; 技术现状; 发展趋势; 采煤技术中图分类号: td421. 6文献标识码: a文章编号: 1671 0959(2014)10-0054-04thinking on current situation and development of drum shearer in chinazhang shi hong1，2(1. shanghai branch of tiandi science and technology company limited，shanghai 200030，china;2. professional committee of electromechanical integration for coal mine，china coal society，shanghai 200300，china )abstract: the paper introduced the current situation of drum shearer in china，pointing out that，the overall structure was basically mature，mainly applying alternating current speed changing and regulating and chainless haulage，electrical control system had been constantly improved，and the key component was greatly enhanced comparative analysis of main technical features between drum shearer of home and abroad was conducted and combining with the present production situation of coal industry，some suggestions and opinions for the future development of drum shearer in china were proposed keywords: drum shearer; technical status; trend; coal mining technology我国煤炭开采以井工为主，产煤量约占总产量的 95% ， 主要采用基于滚筒式采煤机(以下简称采煤机)的长壁开采方 式。作为综合机械化采煤工作面的核心设备，采煤机对提高 工作面的产能和效率起着决定性的作用。采煤机技术始于 20 世纪 50 年代，经过数十年的发展，适应能力不断提高，性 能日趋完善，从满足落煤与装煤的基本功能需求发展到信息 化和自动化，并进一步向智能化方向发展。我国采煤机技术 经过了技术引进、消化吸收和自主创新的发展历程，特别是 近十年来，伴随着我国煤炭生产的高速发展( 形成了一批年 产达到数百万吨乃至千万吨级的高产高效集约化矿井，原煤 年产量从 21 世纪初的不足 13 亿 t，到 2013 年产原煤产量达 到 37 亿 t)而得到快速提升。国产煤机装备实现了 “一井一 面” 年产千万吨的高效生产，7m 厚煤层一次采全高和薄煤 层工作面自动化开采等技术与装备也取得了很大的成功，基 本满足了我国煤炭机械化开采的需要1 3。近年来，由于国家经济的转型发展和煤炭产能扩张过 快等因素，煤炭行业面临发展减缓、成本居高、产能过剩、 安全环保等多重压力，降本提效、安全环保将成为煤炭行 业今后相当长时期的发展目标，作为煤矿开采的主要装备， 采煤机技术发展也必将契合这一发展目标。本文从技术角 度阐述了当今主要滚筒式采煤机的技术现状、国内外采煤 机技术性能的对比分析，并对今后我国采煤机技术的发展 提出了意见与建议。1我国滚筒式采煤机技术现状21 世纪以来，我国采煤机技术得到快速发展，国内各 煤机制造厂商纷纷推出多种型号的煤机产品来满足煤矿生 产的需要。目前国产 mg 系列采煤机可覆盖采高范围 0. 7 7. 0m，适应工作面煤层倾角 0 55，最大装机功率从本 世纪初的 1000kw 左右提高到现在的 3000kw，单摇臂截割收稿日期: 2014 09 13作者简介: 张世洪(1964 )，男，四川安县人，研究员，硕士生导师，中国煤炭科工集团首席科学家，现任天地科技 股份有限公司上海分公司总经理，中国煤矿专用设备标准化委员会采煤机械分会主任委员，长期从事采煤 机的技术研究与开发，e mail: zhshhong2010 163. com。引用格式: 张世洪 我国滚筒式采煤机技术现状与发展思考 j 煤炭工程，2014，46(10): 54 57专题综述2014 年第 10 期煤炭工程功率从 450kw 发展到 1150kw，单牵引功率从 50kw 增加到 200kw。大功率交流电牵引采煤机总体技术参数与国际先 进水平相当，薄煤层、大倾角采煤机技术研究方面具有一 定优势，产品可靠性、自动化及智能控制方面相比国际先 进水平仍有一定差距4，5。1. 1采煤机总体结构基本成熟除薄煤层采煤机总体结构上有创新外，中厚及厚煤层 采煤机总体结构创新不多，已基本定型，对 7m 以上特厚采 煤机的总体结构有待进一步研究发展。1. 1. 1 中厚及厚煤层采煤机总体结构采用模块化设计、多电机横向布置驱动，各执行机构 均拥有各自的动力驱动，摇臂与机身之间通过销轴连接， 已成为现代采煤机的标准设计。机身采用分体式或整体式 结构，分体式机身的段与段之间通过液压长拉杆、螺栓与 销或键紧固连接，装运方便。整体式机身一般采用焊接结 构，机身横向分隔成几个腔体，从采空侧分别装入左右行 走部、电气控制箱、泵箱等部件，机身部分无连接问题， 整体强度高，但运输尺寸与重量较大。部分大功率、大采 高采煤机为适应大牵引力与截割反力的需要，将调高油缸 位置由机身下部移到机身上部布置，使调高油缸处于更有 利的受力状态。1. 1. 2 薄煤层采煤机总体结构 装机功率、机面高度与过煤空间三者之间的矛盾始终制约薄煤层采煤机的发展，薄煤层采煤机的总体设计始终围绕 解决这三者之间的矛盾进行。目前薄煤层采煤机总体布置方 式有骑输送机、爬底板、悬机身三种，适用于不同的煤层开 采条件。骑输送机薄煤层采煤机对地质条件的适应能力最 强，但随着功率的增大，截割电机尺寸影响机面高度与过煤 空间，为解决这个问题，天地科技股份有限公司于 2000 年 率先推出双电机驱动的薄煤层采煤机摇臂，并开发了系列产 品，得到了广泛的推广应用。采用基于双电机驱动摇臂的薄 煤层采煤机成为当前国内 1. 0m 以上薄与较薄煤层开采主力 机型的标准配置，单摇臂最少截割功率从 2 40kw 到 2 200kw。典型 机 型 有 mg200 /456 wd、mg320 /710 wd、 mg400 /890 wd、mg400 /925 wd 等。为满足 0. 8m 左右的薄煤层高效开采的需要，在 “十一 五” 期间，天地科技上海公司又推出的 mg100 /238 wd 采煤机，摇臂截割电动机、牵引电动机等布置在输送机铲 煤板上方，充分利用了输送机铲煤板和槽帮上方的空间， 截割电动机纵向布置，采用一级伞齿轮加一级行星传动， 有效地降低了采煤机机身厚度、机面高度和增大过煤空间， 配套机面高度仅为 580mm。爬底板采煤机将机身布置在煤壁侧，可充分利用煤层 厚度的空间，解决装机功率、过煤空间与机面高度三者之 间的矛盾。但由于机身的部分重量支撑的煤层底板上，底 板的状况直接影响采煤机机身的横向水平度，导致采煤机 上漂或扎底，无法正常沿煤层走向推进，并使无链牵引机 构的啮合状况变差，工作可靠性降低。因此爬底板采煤机对煤层地质要求较高，要求底板硬、且起伏小，适应性差， 使用范围受限。国内自 20 世纪 90 年代初推出的 mg344 pwd 爬底板电牵引采煤机后，相当长的时间内无新机型推 出，直到 “十一五” 期间鸡西煤矿机械有限公司、辽源煤 矿机械有限公司、三一重装等推出了几款新机型外，未见 其他煤机制造商有新机型推出，典型机型有 mg180 /420 bwd、mg150 /350 pwd、mg160 /385 pwd 等。悬机身采煤机继承了爬底板与骑输送机采煤机的部分 优点，机身由输送机支撑与导向，克服了爬底板采煤机的 适应性差的缺点，为目前 1. 0m 左右大功率薄煤层采煤机的 主要结构形式之一。悬机身又分为仅摇臂截割电机布置在 煤壁侧的悬电机方式和摇臂电机与机身完全布置在煤壁侧 的全悬方式两种，典型机型有 mg200 /450 wd、mg200 / 446 wd1 等。1. 2交流变速调速成为主流国内采煤机电气调速方式有直流串( 他) 激调速、电磁 滑差调速、开关磁阻调速以及交流变频调速，目前交流变 频调速已占绝对主导地位。交流变频调速具有调速范围大、 效率高、可实现四象限运行、易实现过程控制等优点，调 速范围可以达到 0 额定要求(3000r / min)，功率因数可以 达到 95% 以上( 矢量或 v / f 控制)，甚至可以接近 1 ( dtc 控制) 交流电机的总体效率可以达到 97% 以上，在目前国 内外主流电牵引采煤机上获得普遍应用。通常采用 “一拖 一” 调速拖动方式，即两台变频器分别拖动两台牵引电机 运行，采用矢量控制或直接转矩控制( dtc) 方式，有效提 高采煤机牵引性能，对可能的过载冲击进行快速保护。为 保证两台变频器输出功率平衡，一般采用主从结构，一台 变频器作为主机，另一台作为从机，两台变频器之间有信 号连接，主机检测从机电流，当主机与从机之间电流值相 差超过一定范围时，主机对从机进行转矩平衡调节。采煤机采用的变频器电压等级有 400v 级和 690v 级两 种，大功率电牵引采煤机单牵引功率 150kw 以上一般采用 690v 级电压等级。1. 3无链牵引型式基本统一采煤机无链牵引型式从 20 个世纪的齿轮销轨式、链轮 链轨式、超级链轨式、滚轮齿条式、强力链轨式、主力链 轨式等多种无链牵引型式并存局面，已统一为齿轮销轨式。 经过长期的实践考验，齿轮销轨式虽适应弯曲能力比链轨 式弱，但具有结构简单、承载能力高、更换方便的优点， 现已成为国内外采煤机无链牵引的标准型式。为适应不同 的牵引力和输送机槽帮长度需要，目前共有 5 种节距的销 轨可供选择，见表 1。表 1 销排节距与适用范围节距 / mm126147151172176600100100150150项目 牵引力 / kn 槽帮长度 / mm15001750150020501750 55专题综述煤炭工程2014 年第 10 期节距 151mm、176mm 是由我国自主开发的新型节距销 排，可满足长度 1500mm 与 1750mm 槽帮使用大功率采煤机 的需要，相比 126mm、147mm 和 172mm 节距较大地提高了 无链牵引系统的承载能力。1. 4电气控制系统不断完善国内采煤机电气控制系统方面多以基于 plc 、工控机 为主，扩展性差、信号传输速度低、处理速度慢。天地科 技上海公司 2005 年开发了以 am + dsp 处理器为核心并基 于 can bus 总线技术和工业以太网技术相结合的分布嵌 入式控制系统，并经过不断的改进完善，具有信号处理速 度快、系统可扩展性强，具备数据远程通讯能力，可实现 采煤机各种工作状态监测与保护、远程操控、记忆截割， 系统主体结构处于国内领先水平。采煤机到顺槽全双工控 制通讯采用高抗干扰 fsk 调制与 pll 解调技术，使得在无 需使用单独通讯线的条件下，仅用普通的带四芯控制线的 采煤机供电电缆即可同时实现包括: 主机动力电源先导控 制、运输机闭锁控制、采煤机到顺槽全双工实时数据传输 和控制、电力传输全部功能。采煤机自适应控制技术是实现综采工作面安全高效生 产的关键技术，记忆截割技术在国内采煤机已获成功应用。 通过工作面视频系统将采煤机的实时工况经光纤传输到顺 槽控制站，可对采煤机进行实时监控，并已发展成功记忆 截割加有线远程干预方式，解决了煤层厚度变化需人工干 预操作时的人员安全问题。远程操控、薄煤层采煤机分段 遥控等技术已在部分工作面成功应用，实现了工作面少人 生产，但控制系统可靠性、稳定性、响应速度和控制精度 仍有待提高。1. 5关键零部件的可靠性得到提高采煤机摇臂与牵引行走机构是采煤机的两大重要执行 机构，因受力工况恶劣相对故障较高，且一旦出现故障， 处理时间长，严重影响正常生产，而摇臂壳体与行走轮又 是影响摇臂及行走机构可靠性的关键元件。1. 5. 1 高强度摇臂壳体摇臂壳体是传动链元部件的支承和定位部件，如果摇 臂壳体轴孔或起传动链定位作用部位在采煤机运行过程中 受载变形，将造成齿轮传动的工作条件恶化，进而使齿轮 或轴承的使用寿命降低。因此，提高壳体综合机械性能是 高可靠性摇臂的重要技术之一。我国采煤机通常摇臂壳体性能仅相当于 zg270 500 铸 钢，综合机械性能远远低于国外产品，抗拉和屈服强度分 别在 500mpa 和 300mpa 量级，硬度 140 170hb，对现行的 高强度采煤和恶劣的工况条件越来越显得不相适应。摇臂 壳体易发生变形导致齿轮断齿、轴承损坏，甚至出现壳体 断裂现象。而国外的采煤机在核定过煤量内其摇臂壳体的 整体变形量非常小，基本上能保持在初始状态性能。为使大功率采煤机摇臂壳体具有良好的综合机械性能， 即具有较高的抗拉强度、屈服强度和硬度，并同时具有较 高的塑性和冲击韧性，天地科技上海公司开发了摇臂壳体 56用 crnimo 系铸钢材料，抗拉和屈服强度分别在 700mpa 和 600mpa 以上，表面硬度达到 200 240hb。利用该新型材 料制造的摇臂已成功应用在神东煤炭集团的 joy 7ls1a 采 煤机上，在 1. 7m 采高工作面累计出煤量 500 多万吨无大 修，使用情况良好，总体质量基本接近国外先进水平。1. 5. 2 行走轮采煤机行走轮采用开式传动，润滑条件差，且由于销 轨弯曲和导向滑靴的磨损，啮合中心距正常处于变化状态， 工作条件十分恶劣，行走机构是当前影响采煤机工作可靠 性的最薄弱环节之一，其中行走轮断裂、磨损失效尤为突 出，因此提高行走轮的使用寿命对于提高采煤机的可靠性 具有十分重要的意义。天地科技上海公司通过行走轮啮合仿真分析优化齿廓 曲线，行走轮采用电渣重熔钢制造，充分挖掘材料的机械 性能，改进制造工艺和采用表面强化技术，大大提高了行 走轮的使用寿命，配套神东 sl500 采煤机国产化项目，行 走轮寿命达到 230 万 t 过煤量未损坏。2 国内外采煤机主要技术特征对比国外主要有德国 eickhoff、美国 joy 以及卡特彼勒三大 采煤机 制 造 商。 目 前 eickhoff 公 司 主 推 的 sl 系 列 包 括 sl300、sl500、sl750、sl900、sl1000 五大机型，可覆盖 采高范围 1. 5 7m，最大装机功率达 2590kw，其中摇臂截 割功率达 1000kw，牵引功率 2 150kw。joy 公司已成功 发展了 7ls0 8 九大系列产品，覆盖采高范围 1. 3 7. 1m， 最大装机功率达 2925kw，最大摇臂截割功率 1100kw，牵 引功率 2 200kw。卡特彼勒并购比塞洛斯国际公司进军煤 矿长壁采煤机领域，主要产品有 el2000、el3000、el4000 三个系列采煤机，采高范围 1. 8 7m，最大装机功率达到 2295kw，其中摇臂截割功率 860kw，牵引功率 2 150kw。 国外先进采煤机的主要性能特点是高可靠性、长寿命和高 度自动化。国产采煤机经过数十年的发展，产品系列较为齐全， 基本可满足国内煤矿生产的需要，在难采煤层领域，如薄 煤层和大倾角煤层采煤机研制方面具有一定的优势。国内 外采煤机主要技术性能对比如下:1) 7m 大采高、大功率采煤机方面，从装机功率来看， 国内外技术参数基本相当，7m 大采高采煤机国外采煤机有 eickhoff 的 sl1000、joy 的 7ls8、卡特彼勒的 el4000，其 中装 机 最 大 的 是 joy 公 司 的 7ls8 采 煤 机， 装 机 功 率 2925kw，其中截割功率 1100kw，国内装机功率最大的为 mg1150 /3000 wd 型采煤机，截割功率 1150kw，两者总 体参 数 相 近， 但实际性能相差甚 远。 前 者 大 修 周 期 1250 万 t，寿命达到 5000 万 t，而后者由于使用过程中故障 频发，无法达到设计生产能力。2) 国内外采煤机整机可靠性仍有较大差距，国内煤机 生产侧重于 “成形” 制造，关键元部件缺乏深入的制作工 艺、表面强化以及抗疲劳制造等技术的研究。一般以可使专题综述2014 年第 10 期煤炭工程用率即采煤机在工作面上的可运行工作时间与规定作业时 间的百分比来反映采煤机的可靠性，国外先进煤机可使用 率高达 98% ，国内较好的在 90% 左右。3) 国外高端采煤机行走机构的行走轮使用寿命一般在300 500 万 t 过煤量，而国产最好记录为 230 万 t 过煤量， 仍有较大差距。4) 通过技术攻关，国产高强度摇臂壳体力学性能已比 较接近国外先进水平，但仍存在铸造缺陷多、铸造质量不 稳定等问题。5) 虽然经过多年的发展国产采煤机电气控制系统性能 有了较大的提升，初步实现记忆截割、远程操控等功率，与 国外先进煤机相比，存在智能化程度低、显示内容单一、功 能少、传感元件可靠性低、人机界面和系统稳定差等问题。 国外先进采煤机具备包括在线振动检测在内的较为全面的采 煤机传动系统状态监测及故障早期预警、机载视频监测、干 涉检测、采煤机高精度三维导航定位、智能截割和智能化保 护功能。各种控制与保护功能齐全、人机界面友好。3 对今后我国采煤机技术发展的几点思考近年来随着我国经济的转型发展、环境压力的增大和 能源结构的调整，以及煤炭产能的快速提升，煤炭产能过 剩态势日趋严重，导致煤炭价格的大幅回落，生产企业经 济效益的下降，经营困难。自 2012 年下半年以来，煤炭经 济形势逐步迈入低谷。面对日趋沉重的煤炭生产成本和安 全，粗放式的发展模式将难以为继，降成本、增效益、保 安全成为煤炭生产企业面临的重要课题。面对这一新的局 面，对煤机制造企业提出了新的课题。虽然目前我国已成 为世界第一煤机制造大国，仅采煤机制造企业就有 20 多 家，年产各类采煤机近千台，但产品质量良莠不齐，距煤 机制造强国相差甚远。今后采煤机技术该怎么发展，笔者 认为应围绕降本提效、安全环保的总体目标，在 “高、精、 细” 三个方面做好文章， “高” 即瞄准国际先进水平，研 制高端煤机装备，满足大型煤炭生产企业千万吨级矿井高 效集约化生产的需要。 “精” 即将现有产品做精，做精品， 提高产品的可靠性，完善控制性能、操作性能和可维护性。 “细” 即对采煤机用户进行细分，根据采煤机用户所处区 域、矿井产能、煤层开采地质条件、使用人员素质等，有 针对性的提供个性化产品。最终达到减人提效，装备保障 安全的目标。具体意见如下:1) 研究采煤机功率配置合理性。目前采煤机最大装机 功率已达到 3000kw，机重近 180t。随着采煤机功率的不断 提高，为满足构件强度的需要，几何尺寸也不断增大，导 致机重随几何尺寸的立方级数增长，而机重的增加，则需 要更大的牵引力，反过来影响牵引系统的可靠性和整机的 适应性，因此应加强对采煤机在特定地质条件下载荷谱的 研究，保证在满足规定生产能力的条件下，截割与牵引功 率参数达到最佳的匹配，获得最佳的经济性。2) 7m 及以上大采高采煤机总体结构需要进一步研究。现有的采煤机双滚筒布置的总体结构方式，由于滚筒尺寸 大、重量重，除了运输困难外，滚筒运转过程中巨大的转 动惯量，对摇臂传动系统中的冲击十分严重，导致摇臂故 障率高，神东煤炭集团公司使用的进口采煤机在使用过程 中曾多次发生摇臂末级行星机构损坏现象。研究如采用多 滚筒总体结构方式，以小直径滚筒实