煤礦采掘裝備實驗室的建設

汪愛明, 李國平,郁海濱

(1. 中國礦業大學(北京) 機電學院, 北京 100083; 2. 中煤張家口煤礦機械有限責任公司 技術中心, 河北 張家口 075025)

1 煤礦采掘裝備實驗室建設的必要性

隨著我國煤炭工業高速發展,煤機裝備產品等級更新較快,雖然采掘裝備的最大裝機功率、最大支撐阻力和生產規模已達到或超過國外先進煤機企業產品水平,但整機綜合性能和關鍵元部件性能與國外先進煤機產品仍有較大差距,呈現出“高端不足、中端平衡、低端有余”狀況。為保證設備配套、滿足工作面開采需要,關鍵基礎部件只能采用進口,這樣雖可解一時之困,但長此以往將不利于國家民族工業的發展。目前受國外制造企業限制,已出現在配件、服務等方面不能滿足用戶要求的現狀,而這種局面短時間還難以改變。

建設煤礦采掘裝備實驗室,形成實驗檢測平臺,為深入研究整機性能、關鍵元部件提供支撐,從根本上解決目前我國煤機裝備產品可靠性和壽命低的共性問題,盡快扭轉高端裝備及關鍵部件依賴進口的被動局面,是煤機裝備企業自主創新能力提升、煤炭工業創新發展、實施創新驅動國家戰略的需要[1]。

1.1 實施創新驅動國家戰略的需要

建設煤礦采掘裝備實驗室,形成具有國際先進水平的煤礦井下工作面成套設備研發與測試保障創新體系,建立國際領先的煤機裝備、關鍵技術和測試實驗完備的研發、試驗基地；突破關鍵核心技術,打破國外高端煤機裝備技術壟斷,提升煤機裝備國產化水平,符合國家創新驅動戰略要求,是推進全國科技創新大會提出的創新型國家建設的重要實踐,是趕超國外領先水平、引領國際煤機技術發展方向、實現煤機裝備由“中國制造”向“中國創造”轉變的必然選擇。

1.2 加速煤炭工業創新發展的需要

國內外煤機企業的差距,造成國內神華等一些煤炭生產企業紛紛采購國外設備,這樣雖然可以取得立竿見影的效果,但設備采購、配件供應、技術服務等方面價格高、周期長,且易形成壟斷,長此以往將對國家煤炭工業的發展形成沖擊。建立煤礦采掘裝備實驗室,從根本上解決研發力量分散、關鍵技術基礎研究不足、煤機裝備集成性低等問題,實現煤礦采掘裝備關鍵技術自主化,整體提升采掘裝備國產化水平,有效增強與國外企業抗衡實力,推進國家煤炭工業創新發展。

1.3 煤機裝備企業自主創新能力提升的需要

目前,國內煤機制造企業以仿為主、創新能力不足,設備開機率低、壽命低、生產能力低,這與我國建設大型煤炭能源基地的形勢不相適應。建立煤礦采掘裝備實驗室,集成創新優勢,開展相關理論研究,完善測試手段和能力,實現煤炭開采技術變革,突破制約國產煤機設備發展的瓶頸,提升煤機裝備制造企業自主創新能力,全面提高裝備研發能力與自主化水平,進而以點帶面,以企業創新能力提升推進行業技術進步。

2 煤礦采掘裝備實驗室的建設方向與目標

2.1 建設方向

(1) 通過采煤機、刮板輸送機及配套設備、刨煤機單機性能檢測及工作面三機配套性能檢測,建立包括綜采工作面成套設備選型特征性指標、設備幾何匹配性的設備遠程配套信息查詢軟件平臺,開發數據分析處理軟件、測控數據采集與處理系統及軟件平臺,形成綜采裝備優化配套理論。

(2) 通過刨煤機不同工況下刨削試驗綜合測試、不同煤質條件下煤層可刨性研究、刨煤機自動運行控制系統試驗驗證等研究,建立刨煤機樣機試驗、刨煤機工作面成套設備綜合測試方法,形成企業或行業型式檢驗規范。

(3) 通過采煤機自動化監控技術、液壓支架電液控制系統、輸送機成套設備工況監測與控制、工作面成套設備三化監控系統研究,建立無人工作面監控系統理論,突破相關關鍵技術。

(4) 通過采煤機工作面成套裝備工作狀態下靜力學、單機靜力學、成套裝備工作狀態下動力學、單機動力學問題研究,建立采煤機工作面成套裝備理論,突破相關關鍵技術,實現設備性能及結構優化快速設計。

(5) 研究采掘裝備關鍵部件、新材料、新工藝的檢測試驗手段和評價方法。

(6) 針對煤礦采掘裝備領域前沿技術和國家礦產資源安全開發利用等重大科技問題,承擔國家應用技術基礎研究和共性技術研究,促進國家煤礦采掘裝備應用研究成果向工程技術轉化。

(7) 研究制定國家和行業標準,規范采掘裝備的設計和制造,提升采掘裝備標準化能力。

(8) 與高等院校、研究院所和相關企業開展聯合攻關,培養專家型人才,形成人才培養基地[2-6]。

2.2 長期目標

整合現有研發、試驗資源[7],通過創新環境的改善、技術開發手段的提升、測試技術的提高,全面提升企業自主創新能力,實現煤機裝備發展的關鍵核心技術的突破,打破國外壟斷制約,形成具有國際先進水平的煤礦井下工作面成套設備研發與測試保障創新體系,建成國際領先的煤機裝備、關鍵技術和測試實驗完備的研發、試驗基地,推進煤機裝備自主化,大幅提升與國際先進煤機制造企業相抗衡的能力,實現由“中國制造”向“中國創造”的轉變。

2.3 近期目標

(1) 建造模擬煤礦井下工作環境、進行綜采成套裝備機械、力學、控制等的實驗研究平臺,為綜采裝備設計提供理論依據和設計標準,形成系統完善的煤礦成套裝備設計理論。

(2) 突破制約高端煤機裝備的關鍵核心技術,增強自主創新能力,形成相關關鍵技術研發和試驗基地,滿足我國高端煤機裝備關鍵元部件的國產化需求,逐步實現高端煤機裝備國產化。

(3) 完成測控數據采集與處理系統及軟件平臺建設,建立成套裝備性能測試、單機性能測試及相關關鍵元部件測試的實驗室,建成具有國際先進水平的綜合測試系統,為國家煤機制造業趕超國外領先水平、引領國際煤機技術發展方向奠定基礎。

3 煤礦采掘裝備實驗室的建設內容

3.1 實驗設備設施和人員

擁有實驗用房面積14 352.6 m2,辦公用房面積3 957.5 m2,下設煤礦成套裝備研究所、產品工藝研究所、數字化礦山技術研究所、產品測試分析研究所、綜合管理中心、會議中心、產品培訓中心、博士后科研工作站。

現已具備了較完備的實驗條件。擁有2 500 kN動載疲勞試驗機、2 000 kW交流變頻回饋試驗臺、美國QC3060-5齒輪檢測系統、英國CS3400掃描電子顯微鏡等測試實驗和相關輔助設備250余臺套,設備總值9 400余萬元。

設立了刨煤機研究、采煤機研究、刮板機研究、液壓支架研究、地面輸送設備研究、工業鏈條研究、礦用電器研究、洗選設備研究等專業科室,人員130余人,具有研究生學歷人員和高級及以上專業技術職稱人員占65%,形成了結構合理、創新能力突出的專業技術團隊,多人為煤機采掘技術與裝備設計、制造專家。

3.2 測控數據采集處理系統及軟件平臺建設

建立F1—F6系列模擬煤壁,通過進行測控數據采集處理系統及軟件平臺建設、三機(采煤機、刮板輸送機、液壓支架)配套性能檢測、單機性能檢測、刨煤機工作面成套設備綜合測試技術研究,開展元部件的性能及可靠性試驗驗證,建立具有行業領先水平的綜合測試系統,保證設備在煤礦井下復雜工況條件下運行的高可靠性。

3.2.1 數據采集系統硬件系統

(1) 采煤機工作面數據采集系統。采用磁滯收縮傳感器對滾筒油缸的伸長量進行測量,輸出脈沖信號,然后通過油缸的夾角計算出滾筒的高度；采用旋轉脈沖編碼器測量采煤機滾筒速度；采用水平加速度傳感器測量采煤機運行位置、姿態；采用電阻應變片測量采煤機截割齒受力情況；采用水平振動傳感器測量采煤機在牽引方向的振動。

(2) 刨煤機工作面數據采集系統。采用水平加速度傳感器測量刨煤機位置、姿態；采用紅外溫度傳感器測量刨頭、刨刀溫度；采用電阻應變片測量刨刀應力；利用安裝在開關柜的傳感器對電機的電壓、電流、功率進行測定。

(3) 刮板輸送機工作面數據采集系統。采用水平加速度傳感器測量刮板機運行位置、姿態；采用旋轉脈沖編碼器測量鏈條速度；采用電阻應變片測量鏈輪與鏈條嚙合過程中的傳動效率、接觸應力。

(4) 液壓支架工作面數據采集系統。采用水平加速度傳感器測量液壓支架運行位置、姿態；采用磁滯收縮傳感器對滾筒油缸的伸長量進行測量；采用電阻應變片傳感器測量液壓支架的各部件應力；采用電感式傳感器測量推溜拉架方向和位移。

3.2.2 數據傳輸通信

固定部件的測量采用有線數據通信方式,對于旋轉、直線運動的部件,在電池供電方式下,采用無線數據通信方式并通過存儲卡存儲數據。

3.2.3 數據分析處理平臺軟件

對于采集的不同類型信號(標準電流信號、脈沖信號、數字信號、電阻信號燈)采用不同的處理方式進行去偽處理(信號過濾)、測試數據與時空狀態對應處理,建立多維空間下的數據庫；開發性能及其測試參數可視化軟件；進行理論研究與實測結果的誤差分析與評價。

3.3 實驗室檢測項目

3.3.1 三機配套性能檢測

(1) 與采煤機相關的三機配套性能試驗項目。采煤機滾筒在最高位置時的裝煤狀況、機道上的浮煤量、采煤機下面的裝煤能力、采煤機通過溜槽S形彎曲段時,滑靴和導向套受力狀態；采煤機牽引鏈輪與銷排或齒輪嚙合時,其各自的受力狀態、采煤機運動學參數、采煤機動力學參數、采煤機機體橫向穩定性等。

(2) 與工作面刮板輸送機相關的三機配套試驗項目。刮板輸送機輸送能力與能耗、采煤機兩側滑靴在輸送機上的運行狀態、推溜時鏟煤板與煤壁的距離、輸送機刮板鏈張緊自適應等。

(3) 與刨煤機相關的三機配套試驗項目。刨速與輸送機鏈速的匹配關系、刨削深度、刨頭穩定性、刨鏈預緊力、刨鏈拉力、刨煤機動態特性、刨煤機單位能耗等。

(4) 與液壓支架相關的三機配套試驗項目。操作方式和移架速度、按刨煤機要求調節刨深和移架步距、支架移動的直線性等。

3.3.2 單機性能檢測

(1) 采煤機整機試驗的主要測試項目。采煤機生產率、裝煤效果、滅塵效果、噪聲、破碎物的粒度等級、總功率消耗、單位能耗、空載和滿載時的牽引速度、調整靈敏性、牽引力、截割時振動情況、機體是否有搖擺或偏轉、接觸操作或遙控的靈敏性、煤巖分界自動調高試驗等。

(2) 刮板輸送機整機試驗的主要測試項目。從機頭到機尾安裝的平直度、中部槽在水平和垂直面內轉角的實際數值、鏈速的調整與實際鏈速、空載測試、滿負荷啟動情況、手動與自動緊鏈試驗、圓環鏈破斷力的測試、改變預緊力對整機性能的影響測試、最大實際運輸能力測試、負載阻力的測試等。

(3) 刨煤機整機試驗的主要測試項目。刨煤機結構、刨頭在全程運行中的穩定性、調整千斤頂對刨頭傾斜度的調節范圍、緊鏈裝置與緊鏈力、刨速調整與刨頭在工作面兩端的自動換向,刨速的測定、刨頭刨削煤壁的狀態、能力、裝載效果,刨煤機生產能力、刨煤機動力學、刨煤機自動控制情況、刨下物料粒度等級、滅塵與含塵量等。

3.4 刨煤機工作面成套設備綜合測試

借助模擬煤壁,以刨煤機試驗樣機為研究對象,通過對刨煤機在不同工況下刨削試驗的綜合測試,研究不同工況條件下刨煤機功率消耗、刨鏈牽引力和刨頭刨刀受力變化規律,并與理論設計計算及虛擬仿真分析結果進行分析比較,為刨煤機結構參數優化和特定工作面刨深、刨煤機驅動部功率、刨鏈規格、刨速以及工作面輸送機鏈速的設計參數選擇提供技術支持,為完善刨煤機設計計算方法提供依據；研究不同煤質條件下煤層可刨性,為具體工作面刨煤機運行參數選擇和不同工作面刨煤機設備的選型提供科學技術和測試實驗支持；同時在實驗中驗證刨煤機自動運行控制系統的可靠性。

最終通過綜合測試實驗研究,完善刨刀、刨頭、刨鏈受力計算及刨煤機運行參數選擇和計算等一系列設計計算方法,解決虛擬樣機仿真分析過程中復雜載荷的模擬問題,形成企業設計標準,建立一套完整的樣機試驗方法,形成企業(或行業)型式檢驗規范。

3.5 校企聯合培養人才模式建設

行業高校常出現重理論輕實踐、理論教學與實踐鍛煉聯系脫節的問題。礦山機械相關教材涉及的煤礦采掘裝備滯后生產實際二、三十年,大部分教師沒有從事煤礦采掘裝備相關產品研發的經驗,煤炭生產企業不讓輕易下井參觀導致教師對采掘裝備、煤礦工作面沒有直觀認識,學生實習找不到特別合適的接受企業[8]。企業中青年技術人員想進入院校,進一步深入學習理論知識,提升自我,解決工程技術難題,但時間和精力有限導致難度較大。

利用上述以模擬煤壁、采掘機械裝備、相關試驗設施為核心平臺,建成校企聯合培養人才基地,實現校企雙向人才培養[9-12]。教師、學生可以深入人才培養基地,與現場技術人員交流,開展教學研討或實習實踐；以聯合培養工程碩士的形式,基于實驗中心相關技術課題,企業中青年技術人員可以進入學校進一步深造,提升自身專業水平,攻克技術難題。目前實驗室接待行業院校實習任務10余次,承擔產學研項目4項。

4 結語

煤礦采掘裝備實驗室建成以F1—F6系列模擬煤壁為核心的國際最大的煤礦采掘裝備綜合檢測中心、亞洲最大的采掘成套裝備聯動實驗室,將具備如下主要能力：(1)具備煤礦采掘成套(單機)裝備綜合評定能力；(2)具備承擔國家重大煤機裝備項目及解決我國煤礦采掘裝備領域重大科學與技術的研究、試驗能力；(3)具備煤炭行業產品技術水平綜合評價、質量狀況分析及開展相關專項調查能力；(4)具備新的檢驗測試技術和方法研究開發、采掘裝備成套(單機、關鍵部件)技術標準研究和制定能力；(5)具備與國內煤機裝備企業、科研院所、大中專院校等合作開展工程項目的關鍵技術研究與工程化研究能力；(6)具備煤礦采掘機械裝備研發高層次人才培養能力。

煤礦采掘裝備實驗室能夠為國家高端煤機裝備研發提供高可靠的技術支撐和測試保障,推動國家煤機裝備早日實現由“中國制造”向“中國創造”的轉變。