汪连成
(1.山西煤矿机械制造股份有限公司， 太原 030031；
2.煤炭综采装备山西省重点实验室， 太原 030031)
刮板输送机作为煤炭综采主要的输送装备，其国产化历程包括初期试制、发展起步阶段(1950—1973年)，成套引进、学习吸收阶段(1974—1995年)，技术引进、拓展研发阶段(1996—2005年)，自主创新、迈向高端阶段(2006年—)4个阶段。特别是2006年以来，随着煤炭工业向集约化转型，张家口煤机、西北奔牛、山西煤机等国内主要刮板输送机生产厂家，在长运距、高功率、大运量、高可靠性、长寿命及智能化方向大力创新实践，取得了系列成果。
针对刮板输送机的发展，杨晓东[1]、李国平[2]等提出刮板输送机的智能化发展是大势所趋，建立完善的智能监测系统是其发展重点。索志文[3]总结了刮板输送机驱动方式的发展方向，指出变频驱动设备成为主流。王俊涛[4]等结合人工智能、大数据等技术的发展，探讨了刮板输送机的智能化创新方向。孟国营[5]、赵巧芝[5]等重点指出发展新材料，提高核心元部件制造水平，开发状态监测、故障诊断及预知性维护技术，建设测试试验平台是当下发展的关键。刘全喜、王波、郭俊武、梁志斌[7-9]等详细阐述了刮板输送机智能控制系统的应用现状；
侯鹏超[10]根据刮板输送机各元部件的技术现状提出了其技术发展趋势。
当下国产刮板成套运输设备的总体设计制造及智能化程度已经达到国际先进水平，部分技术领先，可完全取代进口，但煤炭产业的发展对刮板输送机提出了更高要求。
1) 国产刮板成套输送设备规格已超过国外同类水平。
(1) 品种齐全，覆盖面宽。成套设备可适应采高最低0.8 m，最高8.8 m(一次采全高)以及20 m(放顶煤)等各种机械化采煤工作面；
2018年神东上湾矿在国内外首次实现8.8 m厚煤层一次采全高智能化开采；
兖矿集团金鸡滩矿首次实现7 m超大采高，总装功率12 000 kW综放成套智能刮板输送设备的示范应用。
(2) 产品规格大，单工作面产量高。国产刮板输送机最大装机功率3×1 600 kW，最大单机功率 2 000 kW，最长运距360 m，中部槽最大规格1 388(1 400)×2 400 mm，配套最大链条Φ60，最大运量6 000 t/h；
转载输送机最大装机功率1 400 kW，最大槽宽1 800 mm，最大运量6 500 t/h；
破碎机最大装机功率1 200 kW，最大破碎能力7 000 t/h。自移机尾适应最大带宽2.0 m带式输送机，一次推进最大行程可达10 m，单工作面产量突破20 Mt。
2) 国产刮板成套输送设备整体性能和使用寿命显著提升，部分关键元部件还需进口。
(1) 整机无大修过煤量已突破20 Mt，部分关键部件如中部槽等过煤量已突破40 Mt，相比 “十一五”，产品使用寿命提升一倍。
(2) 中低端产品自制率100%，可完全实现自我配套。但是高端产品在核心零部件、关键材料、先进工艺与产业技术等方面受到限制，包括高强度耐磨板等原材料以及高端轴承，密封等基础元器件还需进口；
部分配套产品包括保越变频一体机、VOITH耦合器及限矩器、SEW减速器、THIELE链条等在国内仍有一定市场。
3) 国产刮板成套输送设备单机自动化控制水平接近国外，但是协同控制能力与国外还存在明显差距。
(1) 国产刮板输送机单机自动化控制水平已经接近国外，一方面得益于近年机、光、电、气、液、传感、信息技术在煤机装备上的快速发展与应用。另一方面欧美发达国家近20年没有大力发展智能刮板输送机。
(2) 国内外刮板输送设备目前均已实现：远程控制、一键启停；
数据采集、显示及传输；
故障预警；
工作面可视化；
4G无线通信；
基于变频驱动技术软起、功率平衡、低速检修；
开机紧链、停机松链；
链轮自动注油等自动化功能。但是由于3D精密物探、煤岩识别等关键技术难题未有突破性进展，目前均未实现真正的智能化开采。
(3) 国内外在输送机自动调速策略上均采用多参数控制加分级调速方法。常用参数有电动机转矩、电流等，只能间接反映输送机实时装煤量，而目前准确直接检测输送机实时装煤量困难重重，输送机自动高效调速国内外暂未实现。
(4) 国产装备与技术未能相互融合形成族群体系，导致监控系统未能完全融合到工作面信息系统中，单机故障诊断、多机协调运行等功能暂未实现。
刮板输送机作为采煤工作面主要运输设备，其机器人化是必然趋势和发展方向。机器人化刮板输送机不仅要实现单机智能化无人操作，还要具备与工作面采煤机器人、支护机器人等机群的自协同调控。
如图1所示，基于模块集成化的智能控制系统是实现刮板输送机机器人化的关键，主要包括4层硬件和3个功能模块。4层硬件包括:具有感知功能的传感器层；
具有数据接收、控制分析及指发送令功能的控制器层；
确保设备功能发挥的执行层；
具有专用功能的分析软件层。3个功能模块包括智能运行模块、在线故障诊断模块、寿命评估模块。
煤炭作为我国的主体基础能源，将长久保持，综合机械化开采依然是煤炭主要的开采技术。未来国产刮板输送机创新和发展方向包括以下几方面：
3.1 拓展机型种类
一方面要开发适应倾斜和急倾斜煤层、薄和极薄煤层等特殊工况的输送设备；
另一方面，要继续推进煤炭工业集约化发展，打造覆盖不同煤层厚度、适用各种开采工况与工艺的高端成套设备，如超大采高成套设备、绿色充填采矿运输设备等。
图1 智能控制系统
3.2 提升性能水平
一方面设备可靠性、改进适宜性、优化系统性、提高使用寿命等技术研究仍是行业创新发展的基础和核心。另一方面，为了适应自动化开采要求，还需在输送机位姿感知、协同控制、自主运行等自动化控制技术领域进一步创新，以实现真正意义上的刮板输送机机器人的自主决策和智能运行。
3.2.1 强化基础创新，提升部件使用性能
1) 研究链轮和链条动态啮合原理，揭示啮合动态特性，优化啮合结构及性能；
研究中部槽弯曲控制理论，优化槽间可弯曲角度控制指标；
研究中部槽及链传动系统等磨损机理和失效评判标准，为新材料开发和性能提升提供理论依据。
2) 研发新型槽帮钢、高强耐磨板、链轮体、破碎锤头等新材料,提升如机电、密封、液压元件、电气元件等关键部件性能及应用水平，解决包括中部槽高强度焊接、链轮组件漏油、破碎锤头可靠锁紧等行业共性难题,进一步提高设备可靠性和使用寿命；
积极推进关键结构轻量化，开展轻量化结构设计，降低设备总体成本；
推进轻量化材料替代，进行高强度新兴合成材料在输送设备上的应用尝试,以减重降耗。
3) 研究开发绿色高效驱动技术。特别是变频分级调速，永磁半直驱、直驱，链张力实时监测和分级调节等技术。
3.2.2 强化感知创新，实现单机自主运行
1) 利用虚拟现实、三维可视化、互联网+开采感知技术，开发抗干扰能力强、可靠性高、数据传输准确、结构简单、功耗低的传感器及其植入技术，同时架构工作面数据5G高效实时传输网络系统。
2) 研究刮板机姿态感知技术，开发刮板机姿态直接感知系统。以刮板机作为三机姿态感知、定位基点具有绝对优势，研究专用传感器检测输送设备走向、倾向、水平、垂直等姿态，并以此确定采机位置、导向、截割轨迹和支架推移量。
3) 研究刮板机运行状态感知技术，主要包括机械部件失效指标感知、动力部件运行指标感知以及包括煤流监测、断链检测等辅助功能实现等。
3.2.3 强化协同创新，实现系统智能联动
1) 解决多源数据异构融合难题。统一数据接口，打通各信息交互融合通道，同时开发大数据分析、故障诊断、专家管理、全寿命周期管理等系列应用平台，实现由感知数据向实时分析、特征提取、历史对比、融合处理、推理评价等更高层次发展。
2) 提升刮板“小三机”系统性，将刮板输送机、转载输送机、破碎机及自移机尾作为整体，结合采煤工艺和工作逻辑，实现一体化控制；
探索结合堆煤量调整设备启动先后顺序和时间间隔，并实现智能选择。
3) 开展工作面 “大三机”协同应用实践。从三机设备功能、原理、特点出发，构建统一的数据管理、分析平台，除直接获取、存储刮板机工况数据外，并能够与采煤机控制、支架电液控语音通信、供电供液、视频监控、人员定位等系统进行实时数据和操作指令的交互，并通过设定逻辑进行三机系统间互联协同，以实现自动截割、跟机移架、运输系统智能运行、远程视频监控、设备远程集控、系统协同保护、故障报警停机等功能。
目前国产刮板成套输送设备发展与创新已取得了巨大成功，特别是随着3×1 600 kW刮板机在 8.8 m 一次采全高工作面、单驱2 000 kW刮板机在超大采高综放工作面投入使用，我国刮板输送设备重型化已经发挥到了极致。
但是下一步更是任重道远，刮板输送机行业需要在可靠、智能、绿色、低碳等新功能、高性能实现方面持续加强攻关，特别是要回归到基础理论研究、可靠性提升上来，最终将国产刮板输送机打造成原理简单、技术含量高、专属定制、节能环保、智能化程度高的高科技机器人产品，更好地服务于未来的智慧矿山。
猜你喜欢刮板输送机工作面近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”原因分析与调控方法煤炭工程(2022年8期)2022-08-24下运带式输送机系统优化设计矿山机械(2022年5期)2022-05-1915104大采高综采面矿压观测与规律分析煤(2022年4期)2022-04-07倾斜煤层综采工作面输送机上窜下滑控制技术研究与应用煤(2022年2期)2022-02-17孙义煤业110106大倾角综放工作面过断层技术研究与应用煤(2021年10期)2021-10-11变频器在大型远距离带式输送机上的应用中国科技纵横(2021年7期)2021-07-22立磨机刮板结构的改进建材发展导向(2021年6期)2021-06-09浅埋中厚煤层超长工作面末采矿压规律研究煤炭工程(2021年3期)2021-03-26刮板输送机断链事故分析及断链保护装置研究煤(2021年1期)2021-02-06埋刮板输送机刮板节距的影响因素分析E动时尚·科学工程技术(2019年11期)2019-09-10
