芻議機電一體化技術在綜合采煤設備中的應用

張 銳

（富源縣煤炭工業局，云南 曲靖 富源 655500）

1 前言

隨著我國科學技術的高速發展,機電一體化已經成為機械電子工業發展的必然趨勢。機電一體化技術順應了當今科學技術發展的規律,使機電產品具有機械與電子技術相結合的整體優勢,給傳統工業帶來了革命性的變革,并產生了巨大的社會效益和經濟效益。

煤炭工業是傳統產業,一些發達國家已清楚地認識到傳統的機電產品已不再適應高產高效煤炭生產需要。70年代末80年代初,機電一體化技術和有關產品在煤炭工業中得到推廣使用。發達國家在煤炭工業以微電子技術為基礎,自動化技術并以計算機技術為中心,大力發展機電一體化高產高效綜采設備(綜采設備主要是指工作面采煤機、運輸機和液壓支架等)。

80年代以來,一些先進國家在研究、開發和生產綜采設備方面集中體現了機電一體化技術發展趨勢,這些設備日益大型化和自動化,并且具有高可靠性和長壽命。如采煤機可連續采煤350萬t,工作面刮板運輸機最高可運煤600萬t,設備運行的監控監測自動化程度也不斷提高,還出現了全自動控制的采煤機,實現了電液控制的液壓支架。在故障診斷方面,功能也日趨完善,使煤炭產量和綜采設備使用效率大大提高了,形成了現代化煤炭生產的鮮明特點。

2 國外綜采設備機電一體化應用與發展

為使煤炭生產工效和安全得到提高,許多國家從70年代就對綜采設備進行技術改進。采煤機利用微電子技術和電力電子技術由液壓牽引改造為直流電牽引,這不僅能獲得更大的牽引力和牽引速度,而且能消除液壓部件許多難以克服的缺點。進入80年代,直流電牽引系統越來越多地被交流變頻(VVVF)電牽引系統所取代,它使采煤機的割煤速度進一步提高,在可靠性、效率以及節能等方面也有所提高。由于微電子技術和計算機技術的廣泛應用,采煤機的監測監控手段也進一步完善,大大推進了綜采設備的自動化程度,使其具有自動控制、工況監測、故障診斷、數據處理、人機對話、顯示報警和斷電記憶等功能。就TeisafeOV-AC系統來說,它是在采煤機上裝有一整套傳感器,用來采集采煤機的工作位置、方向、速度、搖臂相對機身的位置、煤層傾角及傾斜狀態、油液壓力和溫度等數據資料,這些數據經計算機處理后,用以進行輔助遙控,并對作業面工作情況采用圖形方式顯示和記錄,并對設備進行故障診斷。而英國煤炭工業研究的重點也是涉及監測監控及故障診斷的工程設計。國外在采煤機的智能化方面也作了許多工作,主要是把計算機與傳感器結合起來,使采煤機具有數據處理、自診斷、軟硬件結合、人機對話、顯示報警和斷電記憶等功能。

由于機電一體化技術被廣泛用于綜采設備,使其性能提高,功能增強。具體反映為:增加了若干自動操作功能和自動調節功能,使設備的可靠性明顯提高。采用自診斷、停電對策等新技術后,改善了操作性能。具有不同程度的自動控制功能,甚至有些還具有自適應和智能化等功能,使設備結構簡化。由于交流電機采用微機控制使其既具有直流電機的調速性能,又具有結構簡單可靠、機械慣量小、效率高等優點。生產方式向“柔性化”和綜合自動化方面發展。電子技術的介入,提高了綜采設備的檢測和控制裝置水平,并帶來了明顯的經濟效益和社會效益。國外綜采設備發展趨勢是更加廣泛應用微電子技術與計算機技術,提高監測監控和故障診斷水平,提高自動化程度,并向智能化方向發展,實現采煤工作面真正無人化。使具有機電一體化的采煤設備帶有更高性能的智能裝置,即“全息”特性。

3 國內綜采設備機電一體化現狀

我國煤炭事業取得了巨大成就,尤其是近10年煤炭產量不斷提高。1995年全國煤炭產量達10.8億t,居世界產煤國第一位。隨著科學技術的高度發展,國產綜采設備技術水平有了很大提高,國產設備采煤比例由1981年的20.52%上升到現在的73.03%,比重占3/4,產煤量達13504.6萬t,占出煤的37.67%。為適應煤礦現代化的高產高效需要,綜采設備利用微電子技術和計算機技術可以顯著提高設備的效率、技術性能和易維護性。在利用高產高效綜采設備中,我國“八五”期間出現了一批200萬t以上的綜采隊。然而就工作面采煤機而言,絕大部分為液壓牽引,少數電牽引采煤機為國外引進。

雖然我國在綜采設備機電一體化技術研究方面與國外先進國家存在較大差距,但近年來對綜采設備機電一體化技術除引進外還部分實現國產化。如西安煤機廠引進全套德國艾柯夫公司生產的直流電牽引采煤機。在國產化方面,由科研院所生產廠家共同研制了交流電牽引采煤機,其中電氣關鍵部分變頻器由國外引進,部分電控設備采用引進技術。電液控制的液壓支架國內還沒有正式產品,均處于試驗階段。重型工作面刮板運輸機微機控制的軟啟動系統正處于研制和試驗中,不具備綜采設備工況監測和故障診斷系統。總之,綜采設備機電一體化在煤炭行業處于起步階段。

4 綜采設備的發展與相關技術的研究

產高效綜采設備的特點是重型化、大功率化、大能力化和高性能(自動監控)化。高產高效綜采設備的技術發展趨勢是:采煤機--大功率、大截深、交流電牽引、監測監控;運輸機--大功率、大能力、軟啟動;液壓支架--高工作阻力、微機與電液控制、快速移架;設備配套總能力在2000t/h以上,采區設備總容量3000kW以上,供電電壓2kV以上。為此,根據我國煤炭行業的實際情況,追蹤國際先進技術,應積極開展高產高效綜采設備機電一體化技術的研究,加快這一進程的發展。

4.1 傳感器研究

近年來,我國在綜采設備機電一體化技術方面作了一些研究,尤其是檢測傳感器,主要包括:電壓電流、功率測定、牽引速度、電機溫度、油液溫度、油液壓力、液位高度、液壓支架支撐壓力、電液閥和流量傳感器等。但不同程度上存在一些問題,有些需要改進,部分需完善和提高。為此,研究內容應包括:a.關鍵部位傳感器的研制。采煤機機身傾角、搖臂擺角、牽引速度、行走方向、牽引力、煤巖分離;刮板運輸機的推溜油缸行程,支撐油缸的行程(支撐視度);液壓支架壓力和流量;b.實現信號輸出標準化和規范化;c.提高傳感器結構性能,測量精度和可靠性。

4.2 測控裝置研究

在對傳感器研究的同時,也要對綜采設備的保護功能和控制功能進行研究。由檢測的各工況參數,經微機進行運算和處理,并根據預先設定的動作值,給出相應保護動作。另外在機組發生故障情況下,結合井下工作特點,用聲、光發出報警或用顯示的方式,顯示出故障點和故障性質,而這些過程也是通過微機控制來實現的。利用微機軟件運算方便、靈活的特點,對采煤機實行智能化的功率控制,根據過載的不同程度,分別實現減速、立即停機或倒退等功能的研究。進一步的研究目標是實現采煤機搖臂自動調高控制。

4.3 工況監測和故障診斷

由于綜采設備可靠性失效引起工時損失是形成當前開機率低的主要因素之一,所以要在技術方面作重點研究。其主要內容利用微電子技術和計算機技術,對設備的故障進行檢測,使采煤機實現自診斷、自適應功能。其中研究的項目應包括:采煤機微機處理故障監測裝置、綜采設備綜合狀態監測及故障診斷裝置、采煤機故障診斷專家系統等、刮板運輸機故障診斷與監測。這項研究是當前系統可靠性研究的方向。

4.4 變頻器技術研究

變頻器是實現采煤機機電一體化的關鍵,應對其進行深入研究。可以通過我國自行研制的全數字化提升機成功經驗和關鍵技術,借鑒到采煤機變頻器研制中。

5 結語

隨著機電一體化技術的不斷發展,以微電子技術、電力電子技術和計算機技術為中心,并具有多種傳感器的監測監控和故障診斷裝置已成為先進綜采設備的一個特點。我國應大力開發和應用機電一體化技術,使國產綜采設備自動化水平得到提高。

[1]岳巧珍.煤礦機電一體化及其發展方向初探[J].西安礦業學院學報，1999-12-30.