汪連成

(1.山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司， 太原 030031；2.煤炭綜采裝備山西省重點實驗室， 太原 030031)

0 引言

刮板輸送機(jī)作為煤炭綜采主要的輸送裝備，其國產(chǎn)化歷程包括初期試制、發(fā)展起步階段(1950—1973年)，成套引進(jìn)、學(xué)習(xí)吸收階段(1974—1995年)，技術(shù)引進(jìn)、拓展研發(fā)階段(1996—2005年)，自主創(chuàng)新、邁向高端階段(2006年—)4個階段。特別是2006年以來，隨著煤炭工業(yè)向集約化轉(zhuǎn)型，張家口煤機(jī)、西北奔牛、山西煤機(jī)等國內(nèi)主要刮板輸送機(jī)生產(chǎn)廠家，在長運距、高功率、大運量、高可靠性、長壽命及智能化方向大力創(chuàng)新實踐，取得了系列成果。

針對刮板輸送機(jī)的發(fā)展，楊曉東[1]、李國平[2]等提出刮板輸送機(jī)的智能化發(fā)展是大勢所趨，建立完善的智能監(jiān)測系統(tǒng)是其發(fā)展重點。索志文[3]總結(jié)了刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展方向，指出變頻驅(qū)動設(shè)備成為主流。王俊濤[4]等結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，探討了刮板輸送機(jī)的智能化創(chuàng)新方向。孟國營[5]、趙巧芝[5]等重點指出發(fā)展新材料，提高核心元部件制造水平，開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及預(yù)知性維護(hù)技術(shù)，建設(shè)測試試驗平臺是當(dāng)下發(fā)展的關(guān)鍵。劉全喜、王波、郭俊武、梁志斌[7-9]等詳細(xì)闡述了刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀；侯鵬超[10]根據(jù)刮板輸送機(jī)各元部件的技術(shù)現(xiàn)狀提出了其技術(shù)發(fā)展趨勢。

當(dāng)下國產(chǎn)刮板成套運輸設(shè)備的總體設(shè)計制造及智能化程度已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)領(lǐng)先，可完全取代進(jìn)口，但煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對刮板輸送機(jī)提出了更高要求。

1 國內(nèi)外刮板輸送機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1) 國產(chǎn)刮板成套輸送設(shè)備規(guī)格已超過國外同類水平。

(1) 品種齊全，覆蓋面寬。成套設(shè)備可適應(yīng)采高最低0.8 m，最高8.8 m(一次采全高)以及20 m(放頂煤)等各種機(jī)械化采煤工作面；2018年神東上灣礦在國內(nèi)外首次實現(xiàn)8.8 m厚煤層一次采全高智能化開采；兗礦集團(tuán)金雞灘礦首次實現(xiàn)7 m超大采高，總裝功率12 000 kW綜放成套智能刮板輸送設(shè)備的示范應(yīng)用。

(2) 產(chǎn)品規(guī)格大，單工作面產(chǎn)量高。國產(chǎn)刮板輸送機(jī)最大裝機(jī)功率3×1 600 kW，最大單機(jī)功率 2 000 kW，最長運距360 m，中部槽最大規(guī)格1 388(1 400)×2 400 mm，配套最大鏈條Φ60，最大運量6 000 t/h；轉(zhuǎn)載輸送機(jī)最大裝機(jī)功率1 400 kW，最大槽寬1 800 mm，最大運量6 500 t/h；破碎機(jī)最大裝機(jī)功率1 200 kW，最大破碎能力7 000 t/h。自移機(jī)尾適應(yīng)最大帶寬2.0 m帶式輸送機(jī)，一次推進(jìn)最大行程可達(dá)10 m，單工作面產(chǎn)量突破20 Mt。

2) 國產(chǎn)刮板成套輸送設(shè)備整體性能和使用壽命顯著提升，部分關(guān)鍵元部件還需進(jìn)口。

(1) 整機(jī)無大修過煤量已突破20 Mt，部分關(guān)鍵部件如中部槽等過煤量已突破40 Mt，相比 “十一五”，產(chǎn)品使用壽命提升一倍。

(2) 中低端產(chǎn)品自制率100%，可完全實現(xiàn)自我配套。但是高端產(chǎn)品在核心零部件、關(guān)鍵材料、先進(jìn)工藝與產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面受到限制，包括高強(qiáng)度耐磨板等原材料以及高端軸承，密封等基礎(chǔ)元器件還需進(jìn)口；部分配套產(chǎn)品包括保越變頻一體機(jī)、VOITH耦合器及限矩器、SEW減速器、THIELE鏈條等在國內(nèi)仍有一定市場。

3) 國產(chǎn)刮板成套輸送設(shè)備單機(jī)自動化控制水平接近國外，但是協(xié)同控制能力與國外還存在明顯差距。

(1) 國產(chǎn)刮板輸送機(jī)單機(jī)自動化控制水平已經(jīng)接近國外，一方面得益于近年機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)在煤機(jī)裝備上的快速發(fā)展與應(yīng)用。另一方面歐美發(fā)達(dá)國家近20年沒有大力發(fā)展智能刮板輸送機(jī)。

(2) 國內(nèi)外刮板輸送設(shè)備目前均已實現(xiàn)：遠(yuǎn)程控制、一鍵啟停；數(shù)據(jù)采集、顯示及傳輸；故障預(yù)警；工作面可視化；4G無線通信；基于變頻驅(qū)動技術(shù)軟起、功率平衡、低速檢修；開機(jī)緊鏈、停機(jī)松鏈；鏈輪自動注油等自動化功能。但是由于3D精密物探、煤巖識別等關(guān)鍵技術(shù)難題未有突破性進(jìn)展，目前均未實現(xiàn)真正的智能化開采。

(3) 國內(nèi)外在輸送機(jī)自動調(diào)速策略上均采用多參數(shù)控制加分級調(diào)速方法。常用參數(shù)有電動機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流等，只能間接反映輸送機(jī)實時裝煤量，而目前準(zhǔn)確直接檢測輸送機(jī)實時裝煤量困難重重，輸送機(jī)自動高效調(diào)速國內(nèi)外暫未實現(xiàn)。

(4) 國產(chǎn)裝備與技術(shù)未能相互融合形成族群體系，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)未能完全融合到工作面信息系統(tǒng)中，單機(jī)故障診斷、多機(jī)協(xié)調(diào)運行等功能暫未實現(xiàn)。

2 國產(chǎn)刮板輸送機(jī)未來發(fā)展方向

刮板輸送機(jī)作為采煤工作面主要運輸設(shè)備，其機(jī)器人化是必然趨勢和發(fā)展方向。機(jī)器人化刮板輸送機(jī)不僅要實現(xiàn)單機(jī)智能化無人操作，還要具備與工作面采煤機(jī)器人、支護(hù)機(jī)器人等機(jī)群的自協(xié)同調(diào)控。

如圖1所示，基于模塊集成化的智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)器人化的關(guān)鍵，主要包括4層硬件和3個功能模塊。4層硬件包括:具有感知功能的傳感器層；具有數(shù)據(jù)接收、控制分析及指發(fā)送令功能的控制器層；確保設(shè)備功能發(fā)揮的執(zhí)行層；具有專用功能的分析軟件層。3個功能模塊包括智能運行模塊、在線故障診斷模塊、壽命評估模塊。

3 如何實現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)器人化，和世界高水平接軌

煤炭作為我國的主體基礎(chǔ)能源，將長久保持，綜合機(jī)械化開采依然是煤炭主要的開采技術(shù)。未來國產(chǎn)刮板輸送機(jī)創(chuàng)新和發(fā)展方向包括以下幾方面：

3.1 拓展機(jī)型種類

一方面要開發(fā)適應(yīng)傾斜和急傾斜煤層、薄和極薄煤層等特殊工況的輸送設(shè)備；另一方面，要繼續(xù)推進(jìn)煤炭工業(yè)集約化發(fā)展，打造覆蓋不同煤層厚度、適用各種開采工況與工藝的高端成套設(shè)備，如超大采高成套設(shè)備、綠色充填采礦運輸設(shè)備等。

圖1 智能控制系統(tǒng)

3.2 提升性能水平

一方面設(shè)備可靠性、改進(jìn)適宜性、優(yōu)化系統(tǒng)性、提高使用壽命等技術(shù)研究仍是行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)和核心。另一方面，為了適應(yīng)自動化開采要求，還需在輸送機(jī)位姿感知、協(xié)同控制、自主運行等自動化控制技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步創(chuàng)新，以實現(xiàn)真正意義上的刮板輸送機(jī)機(jī)器人的自主決策和智能運行。

3.2.1 強(qiáng)化基礎(chǔ)創(chuàng)新，提升部件使用性能

1) 研究鏈輪和鏈條動態(tài)嚙合原理，揭示嚙合動態(tài)特性，優(yōu)化嚙合結(jié)構(gòu)及性能；研究中部槽彎曲控制理論，優(yōu)化槽間可彎曲角度控制指標(biāo)；研究中部槽及鏈傳動系統(tǒng)等磨損機(jī)理和失效評判標(biāo)準(zhǔn)，為新材料開發(fā)和性能提升提供理論依據(jù)。

2) 研發(fā)新型槽幫鋼、高強(qiáng)耐磨板、鏈輪體、破碎錘頭等新材料,提升如機(jī)電、密封、液壓元件、電氣元件等關(guān)鍵部件性能及應(yīng)用水平，解決包括中部槽高強(qiáng)度焊接、鏈輪組件漏油、破碎錘頭可靠鎖緊等行業(yè)共性難題,進(jìn)一步提高設(shè)備可靠性和使用壽命；積極推進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)輕量化，開展輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低設(shè)備總體成本；推進(jìn)輕量化材料替代，進(jìn)行高強(qiáng)度新興合成材料在輸送設(shè)備上的應(yīng)用嘗試,以減重降耗。

3) 研究開發(fā)綠色高效驅(qū)動技術(shù)。特別是變頻分級調(diào)速，永磁半直驅(qū)、直驅(qū)，鏈張力實時監(jiān)測和分級調(diào)節(jié)等技術(shù)。

3.2.2 強(qiáng)化感知創(chuàng)新，實現(xiàn)單機(jī)自主運行

1) 利用虛擬現(xiàn)實、三維可視化、互聯(lián)網(wǎng)+開采感知技術(shù)，開發(fā)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的傳感器及其植入技術(shù)，同時架構(gòu)工作面數(shù)據(jù)5G高效實時傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2) 研究刮板機(jī)姿態(tài)感知技術(shù)，開發(fā)刮板機(jī)姿態(tài)直接感知系統(tǒng)。以刮板機(jī)作為三機(jī)姿態(tài)感知、定位基點具有絕對優(yōu)勢，研究專用傳感器檢測輸送設(shè)備走向、傾向、水平、垂直等姿態(tài)，并以此確定采機(jī)位置、導(dǎo)向、截割軌跡和支架推移量。

3) 研究刮板機(jī)運行狀態(tài)感知技術(shù)，主要包括機(jī)械部件失效指標(biāo)感知、動力部件運行指標(biāo)感知以及包括煤流監(jiān)測、斷鏈檢測等輔助功能實現(xiàn)等。

3.2.3 強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)系統(tǒng)智能聯(lián)動

1) 解決多源數(shù)據(jù)異構(gòu)融合難題。統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，打通各信息交互融合通道，同時開發(fā)大數(shù)據(jù)分析、故障診斷、專家管理、全壽命周期管理等系列應(yīng)用平臺，實現(xiàn)由感知數(shù)據(jù)向?qū)崟r分析、特征提取、歷史對比、融合處理、推理評價等更高層次發(fā)展。

2) 提升刮板“小三機(jī)”系統(tǒng)性，將刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)、破碎機(jī)及自移機(jī)尾作為整體，結(jié)合采煤工藝和工作邏輯，實現(xiàn)一體化控制；探索結(jié)合堆煤量調(diào)整設(shè)備啟動先后順序和時間間隔，并實現(xiàn)智能選擇。

3) 開展工作面 “大三機(jī)”協(xié)同應(yīng)用實踐。從三機(jī)設(shè)備功能、原理、特點出發(fā)，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、分析平臺，除直接獲取、存儲刮板機(jī)工況數(shù)據(jù)外，并能夠與采煤機(jī)控制、支架電液控語音通信、供電供液、視頻監(jiān)控、人員定位等系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)和操作指令的交互，并通過設(shè)定邏輯進(jìn)行三機(jī)系統(tǒng)間互聯(lián)協(xié)同，以實現(xiàn)自動截割、跟機(jī)移架、運輸系統(tǒng)智能運行、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、設(shè)備遠(yuǎn)程集控、系統(tǒng)協(xié)同保護(hù)、故障報警停機(jī)等功能。

4 結(jié)論

目前國產(chǎn)刮板成套輸送設(shè)備發(fā)展與創(chuàng)新已取得了巨大成功，特別是隨著3×1 600 kW刮板機(jī)在 8.8 m 一次采全高工作面、單驅(qū)2 000 kW刮板機(jī)在超大采高綜放工作面投入使用，我國刮板輸送設(shè)備重型化已經(jīng)發(fā)揮到了極致。

但是下一步更是任重道遠(yuǎn)，刮板輸送機(jī)行業(yè)需要在可靠、智能、綠色、低碳等新功能、高性能實現(xiàn)方面持續(xù)加強(qiáng)攻關(guān)，特別是要回歸到基礎(chǔ)理論研究、可靠性提升上來，最終將國產(chǎn)刮板輸送機(jī)打造成原理簡單、技術(shù)含量高、專屬定制、節(jié)能環(huán)保、智能化程度高的高科技機(jī)器人產(chǎn)品，更好地服務(wù)于未來的智慧礦山。