煤矿机械装备实验室建设实践

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摘要：企业实验室是企业技术创新的主体，煤矿机械装备综合实验室是国家发改委在煤炭行业布局创新主体的内容之一。本文从行业背景、目标定位出发，重点研究探讨了煤矿机械装备综合实验室建设关键技术，模拟工况环境设计，测试实验技术，数据处理平台构建以及运营管理模式，提出了综采成套装备的性能、机械、力学和控制实验平台建设方案并完成实施，经实践达到了预期效果，对进行新一代自动化、智能化工作面成套设备技术开发发挥了重要作用。

关键词：煤矿机械；企业实验室；模拟工况环境；数据处理平台

随着采煤工业高速发展，煤机装备制造业作为高新技术的载体和高新技术转化为煤炭先进生产力的桥梁空前活跃，我国煤机采掘装备业近年来发展迅速，产品等级更新较快，就采煤机、刮板机、掘进机、液压支架等设备的最大装机功率、最大支撑阻力和生产规模而言，已达到或超过国外先进煤机企业产品水平。但就整机综合性能、可靠性、自动化程度、关键元部件性能等方面与国外DBT、JOY、Eickhoff等先进煤机企业的产品仍有较大差距[1-5]。同时，因缺少试验、检测手段，国内采掘设备完成研制后，只能直接到用户处进行井下试验，出现问题不仅解决困难，同时给用户和制造企业造成很大损失，这在很大程度上制约了我国采掘机械向高端产品方向的发展。国家发改委批准建设的煤矿机械装备综合实验室为这些问题的解决提供了平台，本文重点研究探讨了该实验室建设目标定位，关键技术，模拟工况环境设计，测试实验技术，数据处理平台构建以及运营管理模式，提出了综采成套装备的性能、机械、力学和控制实验平台建设方案并完成实施，阐述了建设理念与实现过程。

1煤矿机械装备综合实验室目标定位

纵观国内外煤矿采掘机械试验设备，我国液压支架试验设备已达到国际先进水平，但采煤机、掘进机和刮板输送机整机试验系统仍未建立。德国、英国、美国等国家的煤矿机械产品质量之所以稳定，与这些国家有先进和完备的质量、性能检测手段密不可分。前苏联对采掘机械的试验有国家标准，对产品出厂和新产品研发、定型有明确的规定，经过如此严格的质量检查，产品质量必然得到保证。我们从美国、德国引进的连续采煤机、掘进机和综采成套设备，几十年来，质量一直稳定，得到我国用户的肯定，这也由于这些国家有先进的试验手段有关。煤矿机械装备综合实验室建设目标定位是：以企业为主体、市场为导向、产学研相结合为基础，搭建创新平台，解决煤矿采掘装备领域研发实验手段落后、基础研究与工程技术开发之间脱节问题，突破行业普遍存在的“理论无支撑、设计靠经验、验证靠现场、整体配套不协调、各单机发展不均衡”等技术瓶颈，推动采掘装备向“自动化、智能化、无人化”方向发展。建立产学研用有机结合、科研与应用相互促进的长效机制，形成具有行业领先水平、结构合理的创新平台，实现技术开发，生产试制及科研成果产业化功能，培育和掌握一批战略高技术和前沿技术，抢占高技术产业发展的制高点，为我国煤炭高效安全采掘提供装备技术保障和支持。

2煤矿机械装备综合实验室建设关键技术

该实验室建设在张家口装备产业园区，是目前世界最大、国内煤机装备制造业首家煤矿采掘机械装备综合实验室，总建筑面积17301m2，新增测试、试验设备(仪器)104台（套),包括模拟煤壁作业实验平台，液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、刨煤机等工作面设备，以及试验检测仪器、数据分析系统等。项目总投资2.5亿元，中央预算内投资1994万元。实验室共计采用585个传感器、910测试测点、295个采集模块。为保证实验室建设的先进性，在建设初期，项目组在考察了GE全球研发中心、波兰采矿技术研究院(KO-MAG)、德国埃森研究中心（DMT）、柏林工业大学等机构实验室建设情况基础上，形成了建设方案，组织行业内专家论证后，发现煤矿机械装备综合实验室建设的关键难点有三点：①如何针对矿井不同煤层、岩层的硬度、厚度及地质属性，构建出能够以1：1的比例直接模拟井下实际工矿的条件；②如何选择、设计陪试设备；③测控数据采集与处理系统及软件平台设计。本节重点研究阐述解决上述问题的关键技术。

2.1模拟工况条件设计

模拟工况条件建设关键是设计出模拟煤壁，项目组以现代材料测试手段为基础，通过实验测量及理论分析，获得在力学破坏因素作用下模拟煤壁混凝土细观结构的改变量及相对应的宏观性能指标变化量，结合损伤力学的理论，建立以煤为粗、细骨料的不同强度等级混凝土配合比设计模型，以此来研究以煤为粗、细骨料的煤壁用混凝土的力学破坏过程，实现在荷载因素下结构破坏过程和非荷载作用下的结构层细微竖向和横向裂隙形成等问题。

2.1.1模拟煤壁设计

通过理论分析与试验研究两个方面的工作，揭示了影响以煤为 图2主实验区陪试设备粗、细骨料的混凝土材料力学性能的主要物理、化学过程，采取人为改变材料细（微）观构成的措施，形成不同的节理和层理结构。在完成模拟煤壁混凝土配合比设计研究，模拟煤壁结构层人工微裂隙设计研究以及模拟煤壁浇筑施工工艺方法研究的基础上，设计了采煤机工作面和刨煤机工作面两套试验模拟系统，采煤机实验系统模拟煤壁长度×宽度×高度为70m×4m×3m，刨煤机实验系统模拟煤壁长度×宽度×高度为70m×2m×1.5m。模拟煤壁材料主要以煤炭为主，采用两种硬度进行浇筑，其中35米硬度为F3，另外35米硬度为F4，浇筑过程采用每300mm浇筑一层，待凝固后布置三向内应力传感器。

2.1.2模拟煤壁内应力测量

煤壁内应力测试目的是可测量煤壁浇筑后内应力变化；测量不同煤壁硬度内应力的对应关系；在截割过程中测量采煤机滚筒对煤壁的冲击力，测量刨煤机在刨削煤岩过程中的刨头对煤壁的冲击力。采用预埋压力块的方式进行内应力测量，采煤机工作面和刨煤机工作面分别预布置28个点，传感器是150mm×150mm×150mm的三向测力传感器，考虑煤壁浇筑时每300mm浇筑一层，高度方向上采煤机工作面分别在0.9m、2.1m水平面上布置，充分考虑采煤机滚筒直径在1.8m以上，截割在0.8m，单一截割在同一层上不能同时破坏两个测试压力块；刨煤机工作面分别在0.6m、1.2m水平面上布置，充分考虑刨煤机刨削深度，单一截割在同一层上不能同时破坏两个测试压力传感器。煤壁内应力传感器布置图如图，黑色代表顶层传感器，白色代表底层传感器，在采煤机和刨煤机工作面假煤壁共布置传感器56个，均分两层布置，每层数量14个，考虑到布置信号方便，出线位置选择在煤壁通风道接缝处。

2.2陪试设备配套

主实验区配置了陪试设备、综合测试设备、综合监控设备、变频及供配电设备、辅助设备等。可提供10000V、3300V、1140V、380V供电电源，液压用乳化液和喷雾冷却水，满足了采掘装备模拟工况综合实验要求。陪试设备主要由采煤机、液压支架、刮板输送机和转载机组成。采煤机根据主实验区基础建设情况（煤壁厚度为3m）和国内该煤层实际采煤机的选型情况，选用MG500/1130-WD型采煤机；液压支架根据煤壁的高度，结合国内目前该煤层厚度主流液压支架工作阻力情况，选用ZY9000/15/28D型液压支架。由于在试验现场无法真实再现顶板压力，为使液压支架在推移刮板输送机时保持固定，不后移，在每台液压支架后端配置拉移油缸，与试验平台底板固定，确保液压支架在推溜时不后撤，同时，在成套设备向前推进后，也能够将所有设备拉回至原来位置；刮板输送机根据采煤机的生产能力，选用SGZ1000/1050型刮板输送机；转载机选用SZZ1000/400型转载机（图2）。

2.3控制系统设计

综采工作面成套设备试验平台除了试验设备外，还配备了设备控制和监测系统，主要包括液压支架电液控制系统、采煤机远程控制系统、刮板输送机监控系统、工作面语音通讯系统、工作面自动化集中控制系统等。其中液压支架电液控制系统主要是用来控制液压支架的自动化动作，包括自动拉架、自动推溜、自动移架，同时还监测支架工况，与工作面集中控制系统通讯，接收工作面集中控制系统的控制命令，传输液压支架的工况数据至工作面集中控制系统。采煤机远程控制系统主要是远程控制采煤机的各种动作，与工作面集中控制系统通讯，上传采煤机工况运行参数，接收工作面集中控制系统命令等。刮板输送机监控系统主要是采集和监测刮板输送机运行工况参数，并将刮板输送机运行数据传输给工作面集中控制系统。工作面语音通讯系统主要用于语音通讯、启停刮板输送机和工作面急停闭锁。工作面自动化集中控制系统主要是对工作面成套设备进行监测和远程控制，存储各设备运行参数，对成套设备之间的运行参数进行分析，发送相应的控制命令，实现成套设备的自动化运行。视频控制系统主要是用于对工作面成套设备的运行工况进行实时视频监测，对人员的远程干预提供依据。

2.4测控数据采集处理系统建设

测控数据采集与处理系统是此次试验平台建设的核心，通过在各个设备、煤壁上安装传感器，监测各设备在运行过程中的受力情况，并对其进行存储和分析。

2.4.1数据采集系统硬件方案

实验数据处理主要以应力应变数据为主，传感器选型与设计方面，考虑到数据转换和传感器强度两方面，我们选择的都是应变输出，采用应变模块进行数据采集。针对成套设备数据采集的多数据、复杂位置的特点主要分为三类数据：第一类数据是设备本身自带的数据，通过数据传输接口模块对设备本身自带接口数据进行接收，再通过无线网关接口传输至数据采集终端；第二类数据是通过加装传感器输出的数据，设置采集模块，通过采集模块采集后通过无线通讯的方式对数据进行实时传输；第三类数据是通过加装传感器输出的数据，设置采集模块，通过采集模块采集后通过存储的方式对数据存储，离线读取。

2.4.2数据传输通讯方案

①有线数据通讯方式。有线数据传输方式是采用串行的数据传输，其传感器与采集模块连接、采集模块和上位计算机之间都是采用有线连接，其主要适用于煤壁内应力测试等不发生移动采集点的数据测量，主要优点是成本低、采集数据传输稳定。②无线数据传输通讯方式。无线数据传输方式是建立在无线传感器技术上的一种数据采集传输方式，主要适用于旋转机械移动机械，安装布线不方便场合。对于采煤机工作面所有数据均采用无线通讯方式。采用不同的数据采集模块进行数据采集，数据传输采用统一的无线通讯协议进行数据传输，保证接口的一致性。③存储卡的离线数据通讯方式。无线通讯不能实现的场合，比如刮板在回空段，无线信号完全被屏蔽了，这样的数据采集采用存储卡的离线数据通讯方式，此种通讯方式需要在设备传感器一侧加装电池供电，数据采集后实时的将数据存储到存储卡中，以备集中的读取数据。

2.4.3数据分析处理平台软件设计

①测试信号数据处理：去伪处理（信号过滤）。测试信号数据处理过程中，我们在数据采集开始将随机产生的漂移信号进行清零处理，并且通过信号采集时间同步的方法实现在同一时刻的数据采集，在实验过程中，由于要有前期的准备时间，我们设置了位置定位传感器，当系统开始运行，到达我们传感器指定的位置后，位置检测节点发出标志信号，在采集软件中会有明显的标识，对我们后续的数据截取和数据处理进行去伪处理提供参考依据，有效的实现对无用信号的过滤。②测试数据与时空状态对应处理，建立多维空间下的数据库。所有测试数据都有对应的数据文件，在同一个测试工程中，每个数据文件之间都有统一的时间坐标作为参考，实现多维空间下的数据库集群。③性能及其测试参数可视化软件开发。在实验中，我们设计了上位机数据采集软件，可以实时的采集显示数据，实验测试参数可以在张家口视频会议室的终端采集电脑和屏幕上实时显示，也可以在北京集控中心进行实验数据的显示。显示的的数据中我们可以显示每个参数和时间对应的曲线，也可以将多个数据同时显示成三维坐标下的曲线画面。

3煤矿机械装备综合实验室运行

实验室作为企业技术创新的主体，是负责企业研发及承担国家、省、市级科研项目的主要科研力量，在实验室的运行过程中，我们不断的探索，研究实验室的运行管理模式，明确工作重心，制定了实验室运行管理办法，选配了优秀研发管理人员[6-11]。依托该实验室与中国矿业大学（北京）联合建立了“北京高等学校市级校外人才培养基地”，借助北京高校优质科研资源，充分发挥各自在信息、资源、技术、人才和应用等方面优势，推进了采掘装备动力学基础理论研究、测试试验研究和数字化矿山技术研究等工作。同时，依托该实验室，实施了国家863计划课题《全自动化刨煤机工作面成套设备研发及应用》（项目编号：2013AA06A412）、国家973计划课题《深部煤岩自适应高效截割原理与适用性评估》（项目编号2014CB046301）及国家发改委低碳项目《千万吨级高效综采关键技术创新及产业化示范工程》（发改办高技[2013]1819号）。运行中，研发试验团队实时掌握行业最新发展动态，了解市场需求，从而将设计、研发、制造、生产等有机的结合起来，推动企业成果转化及产业化进程，为新技术、新产品的各项性能试验提供了良好的环境，有利于企业在核心技术上取得突破，解决设计、制造中的关键问题。

4结论

煤矿采掘装备综合实验室先后完成了具有国际先进水平的机械装备测试中心建设，并模拟煤矿井下工作环境，建成了综采成套装备的性能、机械、力学和控制实验平台。经过先期的实验检测，表明试验系统的各项功能和性能指标符合初步设计要求，已进行的采煤机、刮板输送机、自动化采煤系统的试验测试已经对我们进行新一代自动化、智能化工作面成套设备和技术开发发挥了作用。下一步，我们将与大专院校、科研院所紧密合作，更深入地进行采掘成套设备及开采技术的实验研究和理论创新，为进一步提升我国煤矿装备的机械化、自动化、智能化水平和国际竞争力发挥更大作用。

参考文献

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作者：宋振铎1 宋秋爽1 袁智1 张强2 单位：1.中国煤矿机械装备有限责任公司 2.辽宁工程技术大学机械工程学院