采煤机技术创新发展分析

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摘要：回顾了我国采煤机技术的发展历程，阐述了我国采煤机关键技术的现状，并与国外先进采煤机技术对比，分析了与国际先进采煤机技术的差距，指出我国采煤机技术未来发展方向应为高效高适应性总体设计关键技术、可靠性技术、关键零部件材料与热处理工艺开发、先进制造技术、智能化控制技术等。

关键词：采煤机；技术创新；发展方向

引言

采煤机是煤矿井工综合机械化开采的关键设备。我国采煤机技术始于20世纪60年代初期，历经引进仿制到自主开发阶段。经过近60a的积累、沉淀与发展，我国采煤机技术取得了一系列研究成果，从无底托架、多电机横向布置整体布置，到具有高强度摇臂、高速行走系统等高可靠性部件及完善智慧化的电控等特点的系列化产品，适用一次采全高范围由0.8m的极薄煤层到9m的特厚煤层。我国采煤机技术在一些领域内已达到了国际先进甚至国家领先水平。

1我国采煤机技术现状

处在工业4.0的新技术变革期，近年来电牵引采煤机技术取得重大发展，小松JOY、德国Eick-hoff、上海天地等具有行业领先技术的公司纷纷推出了新一代综采设备。当前采煤机技术的特点：（1）功率密度越来越大，牵引速度越来越快当前矿井向高产高效、集约化生产发展，采煤机对工作面地质条件的适应性、产品本身可靠性、可使用率等方面要求越来越高，相应的整机功率密度和截割功率密度越来越大，以适应高产及硬煤、矸石和强过断层以及开解放层的生产需要。为了满足高效快速截割的需求，要求采煤机行走系统具有牵引力大、牵引速度快、整体可靠性高等特点。目前国内机组单摇臂最大截割功率达到1250kW，单牵引功率达到250kW，最大工作牵引速度达到17.5m/min，调动牵引速度达到35m/min。薄煤层采煤机在机面高度小于750mm的情形下，截割功率已达到450kW，总装机功率1050kW；机面高度小于900mm的情形下，截割功率已达到500kW，总装机功率1200kW。适于特厚煤层开采的超大型采煤机也已成功应用，最大一次采全高9.0m。该种机型的成功研制，提高了资源回采率，标志着我国采煤机技术在国际上达到了新的高度，推动了整个煤炭工业技术的发展。（2）高速高可靠的大节距行走系统齿轮-强力销轨结构牵引方式具有适应性强、可靠性高、寿命长等特点，能满足采煤机装机功率、牵引力和牵引速度的增大对其行走系统可靠性的要求。采用速度快、强度高的齿轮-销轨结构行走系统是现代综采技术发展的必然选择。目前销轨节距已从126mm发展到147mm、151mm。最新推出节距为172mm、176mm大节距强力销轨，相应采煤机的牵引力从60t级提高到100t级、150t级，采煤机行走系统的可靠性和使用寿命大大提高。天地科技股份有限公司上海分公司于2018年成功开发了凹凸齿形无链牵引行走系统，该技术通过对齿形、材料与工艺优化以及表面强化和大深层渗碳技术，实现行走系统使用寿命不低于120d或过煤量大于4Mt。（3）高强度摇臂壳体为满足高强度、高频冲击性负载的摇臂工况需要，要求摇臂壳体具有较好的综合机械性能，即在具有较高抗压强度、屈服强度、硬度的同时，还具有较好的塑性、韧性。国内现有摇臂壳体用材ZG25MnNi、ZG270-500在煤矿上的实际使用情况表明，由于这2种材料强度和硬度都比较低，对高强度采煤和恶劣的工况条件越来越不适应，在使用时间不久后摇臂壳体易发生变形、拉裂等质量问题，严重制约了设备可靠性和生产效率的提高。天地科技股份有限公司上海分公司通过对采煤机壳体材料、铸造工艺、壳体后续热处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，形成了整套的生产、加工工艺。

新研制的摇臂壳体硬度大于HB200，抗拉强度大于700MPa，屈服强度不小于550MPa，伸长率不小于17%，收缩率不小于35%，冲击功AkV≥40J，使采煤机摇臂壳体综合机械强度大幅提高，基本达到国际先进水平。（4）完善的电控保护功能与自动化控制系统当前采煤机电控系统具有较全面的保护和监测功能，如瓦斯超标断电保护、与输送机之间的电气闭锁、温度监测和热保护、功率监测和恒功率自动控制及过载保护漏电闭锁。采煤机具有故障自诊断专家系统，具有参数记忆功能，有助于分析查找系统故障原因，能自动跟踪记录系统参数异常以及出现可保护性故障时采煤机的工作参数，便于分析和处理。随着信息工业化的发展，采煤机自动化控制技术逐步发展，现已实现了采煤机和工作面配套设备间的通信，基本实现综采工作面的信息传输、交互和地面远程控制，满足了自动化开采需求。采煤机自动化控制系统能够实现采煤机工作在记忆截割学习模式、自动重复操作模式、在线学习（修改）模式以及采煤机与顺槽集控中心数据的实时双向通信。（5）负载敏感技术成功在采煤机上应用负载敏感比例阀具有速度负载特性好、通流量不受负载变化的影响、泵流量足够、执行复合动作时各执行器互不干扰的特点，在采煤机上应用可实现采煤机调高系统的电气-液压控制，实现滚筒位置的连续控制和精准调节。（6）虹膜识别技术天地科技股份有限公司上海分公司于2019年基于虹膜技术开发出的矿用本安型虹膜采集/识别一体装置，成功将虹膜识别技术应用到采煤机开机安全控制上。该技术可以准确识别采煤机操作人员级别，并有针对性的开放其权限，包括采煤机启动、以及各级电机上电启动权限、参数访问权限、操作提示等。（7）LASC系统智能化应用LASC系统采用高精度惯性陀螺仪导航技术测量采煤机在井下三维空间的坐标位置；LASC技术可以建立精确的煤田3D轨迹模型，实现自动找直功能保持长壁工作面的直线度。天地科技股份有限公司上海分公司于2015年将LASC综采自动化技术从澳大利亚联邦科学及工业研究组织（CSIRO）引进到国内，并与2016年成功在兖州煤业转龙湾矿示范应用。首次在国产采煤机上实现了高精度的三维空间定位和运行轨迹的检测，在实际工况条件下达到了300m长工作面小于10cm的定位测量精度，实现轨迹检测对工作面液压支架和刮板输送机自动对齐找直的技术支持。

2国内外采煤机技术差距

目前，在高端采煤机领域虽然从技术参数上看，国产装备与国际先进采煤机相比总体参数接近，产品装机功率、开采范围、地质条件适应性等甚至超过国外，但在产品可靠性方面仍存在较大差距。产品可使用率普遍低于90%，整机及关键零部件使用寿命明显低于国外同类水平。主要表现在：（1）整机及关键零部件可靠性技术差距受限于民族基础工业的现状，致使我国在基础材料、机加工、热处理等方面和欧美等发达国家有较大差距。这些现实问题造成了我国采煤机整机及关键零部件等产品在使用中可使用率和可靠性偏低。如整机寿命国产机组过煤量一般在1300万t，国外先进采煤机整机寿命过煤量一般达到2000万t；传动系统齿轮寿命1万h，大约是国外先进采煤机寿命的50%；电气控制系统、控制模块抗振性能不够，整体可靠性较国外先进采煤机具有较大差距。（2）生产技术差距较大在生产制造中，虽然部分企业已配置进口磨齿机、热处理炉等先进设备，但是采煤机壳体等基本还是用普通加工设备来完成，加工精度难以保证。在装配过程中，装配工艺落后、装配工具不完善，长期处于装而不配，设计配合精度难以达到最优化。（3）基于地理信息系统（GIS）的采煤机定位定姿技术国内不少院校、科研院所和企业都在研究基于地理信息系统（GIS）的采煤机定位定姿技术，也取得了一定的成绩。如中国矿业大学研制的地理信息系统于2015年成功应用于山西某煤矿18201工作面，并取得了不错的效果。但较澳大利亚、美国等国际先进技术，惯性陀螺仪的定位误差还比较大，比如同样的300m工作面，澳大利亚联邦科学及工业研究组织精度误差可以控制在10cm以内，而我国技术在50cm以上。（4）采煤机碰撞干涉预警技术天地科技股份有限公司上海分公司于2019年率先在采煤机摇臂截割干涉预警技术方面做了探索与尝试。采用60GHz工业级毫米波雷达传感器，用于采煤机在截割煤过程中检测采煤机左右截割滚筒与工作面支架的干涉情况。较国外先进技术，识别度和可使用率还有一定差距。加强采煤机核心技术的研究，缩小和国外先进水平的差距，是摆在国内煤研人面前的重要任务，也是我国采煤机赶超世界先进水平的前提条件。

3我国采煤机技术发展方向

（1）高效高适应性总体设计关键技术我国煤炭资源分布广泛，煤炭资源的赋存条件、煤质特性等差异显著，不同煤层厚度煤炭资源的开采都有各自特定的复杂要求。尤其是随着易采煤层的减少，大倾角、急倾斜、薄煤层、断层与解放层开采、特厚煤层一次采全高等复杂煤层开采所占比重日益增加，且随着煤炭开采向中西部转移，地质条件更趋多样化和复杂化，对煤机装备在薄煤层、特厚煤层等特定工况下的安全性、适应性及效能发挥等提出严重考验，亟需在总体结构设计与相关关键技术、机电液深度融合等方面取得突破，开发高适应性难采煤层高效自动化综采成套技术与装备、高适应性快速掘进技术与装备，以满足煤矿安全高效绿色智能开采要求。（2）整机及关键零部件可靠性技术开展高功率密度整机技术研究、长寿命截割机构研发、关键零部件材料与热处理工艺开发、先进制造技术应用、专用高可靠性变频器关键技术、高能效液压动力技术研究等是今后提高整体可靠性技术的发展方向。（3）智能控制关键技术回采工作面综采智能控制技术与装备水平大幅提高，以“两化”深度融合为着力点，建成了以神东锦界煤矿、黄陵一号煤矿等条件较好的工作面为代表的百余个智能化工作面，并取得较好示范效果。但由于煤层赋存及开采地质条件的复杂性，在大多数普通条件的工作面，自动跟机移架、自动截割三角煤、记忆截割等功能应用效果不佳，煤岩识别、精确推溜等智能化技术仍停留在技术研发阶段。围绕全面感知、智能决策与安全可靠执行，发展煤岩界面自动识别与自动调高技术、装备自主精确定位和工作面自动取值技术、机器视觉、触觉技术、液压支架集群控制技术及电液控制技术、综采工作面通信控制技术等是今后技术发展方向。

4结语

我国采煤机技术经过60余a的发展，取得了显著的成果，形成了完备的技术体系，研制出了适应不同地质条件的系列化产品。但是与国际先进水平相比，目前我国采煤机整体技术还有差距，特别是在整机及关键零部件的可靠性、智能化控制、故障自诊断等方面尤为突出。未来采煤机技术要加强传动系统精准设计、高强度材料和热处理工艺、多信息融合的智能开采等方面创新和研究。

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作者：徐卫鹏 单位：天地科技股份有限公司上海分公司