采煤機技術發展歷程(三)
——電牽引采煤機

葛世榮

(1. 中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083；2.中國礦業大學(北京)智慧礦山與機器人研究院，北京市海淀區，100083)

采煤機屬于行走作業機械，實現電牽引行走是其重大的技術變革。采煤機最早實現的自動控制是牽引調速，其發展過程經歷了從恒功率調速到恒轉矩調速，再到目前的自適應調速。當今，煤礦建設智能化采煤工作面對采煤機牽引技術提出了更高的自適應控制要求，同時有更苛刻的可靠性要求。

采煤機行走技術譜系歸納如圖1所示。行走動力有液壓(高速馬達、低速馬達)、電機(直流、交流)等4種形式，行走驅動分為外驅動(絞車、鏈輪)和內驅動(嚙合、油缸)等4種形式，行走方式包括導軌行走(鋼繩、錨鏈、齒鏈、齒軌、齒銷)和路面行走(膠輪、履帶)等7種形式。因此，理論上的采煤機行走技術可有4×4×7=112種組合。但受技術可靠性和可控性所限，至今只產生了10多種采煤機行走技術，早期出現了鋼絲繩、圓環鏈的柔性外牽引，到1970年代末出現了齒輪嚙合的剛性內牽引，目前得到認可和普“變頻電機調速+齒銷或齒排傳動”的智能電牽引技術。

電牽引是利用電動機自驅動行走的一種采煤機牽引方式，已成為當今大功率采煤機的主流牽引方式，為實現采煤機自適應調速、恒功率截割等智能化控制提供了技術條件。電牽引采煤機的調速方式分為交流變頻調速和直流可控硅調速，目前是交流變頻調速占絕對主導地位，具有調速范圍大、效率高、可實現四象限運行、易實現過程控制等優點，功率因數可達95%以上，并且雙電機牽引對過載沖擊能夠實現快速保護[1]。

電牽引采煤機始創于1975年，以德國艾柯夫(EICKHOFF)公司的EDW-150-2L-2W型直流電牽引采煤機和美國久益(JOY)公司的1LS型交-直流可控硅調速電牽引采煤機為標志，到20世紀80年代末期，國外煤礦大規模采用電牽引采煤機，在美國煤礦工作面占65%，在德國煤礦占51%，在澳大利亞煤礦占46%。

1986年我國制造出第1臺用于極薄煤層開采的電牽引單滾筒采煤機。

德國艾柯夫公司統計表明，電牽引技術可使采煤機牽引部故障率從10%降至1.6%～2%。

圖1 采煤機行走技術譜系

1 無鏈牽引技術發展

1.1 無鏈牽引技術基礎

采煤機無鏈牽引技術發展受益于機載驅動技術創新及成熟應用，包括齒軌傳動機構、液壓傳動、電機調速等技術。

1811年，英國人約翰·布倫金索普(John Blenkinsop)設計Blenkinsop齒軌驅動鐵路機車并取得專利，如圖2(a)所示。1812年，第1條齒軌鐵路在英國米德爾頓與利茲之間建成通車[2]。

1861年，美國人西爾維斯特·馬什(Sylvester Marsh)設計的Marsh 齒軌系統獲得美國設計專利授權，如圖2(b)所示，1868年首次應用于美國第1條齒軌鐵路——美國華盛頓山齒軌鐵路，至今仍在運營使用。

1871年，瑞士人尼克勞斯·里根巴赫(Niklaus Riggenbach)設計出Riggenbach齒軌系統，如圖2(c)所示，首次應用于歐洲第1條齒軌鐵路——瑞吉山齒軌鐵路，它在齒軌鐵路中得到廣泛應用。

1882年，瑞士工程師卡爾·羅曼·阿布特(Carl Roman Abt)對Riggenbach齒軌進行改良，設計出Abt 齒軌系統，如圖2(d)所示，它有3排規則排列的齒坑，確保至少有一個齒輪處于嚙合傳動，是一種高可靠性的并聯驅動系統。

1889年，德國工程師 埃德華·羅赫爾(Eduard Locher)設計了Locher齒軌系統，如圖2(e)所示，用于世界上最陡峭的皮拉特斯山齒軌鐵路，這是目前唯一的Locher齒軌鐵路，其特點是齒形在鋼軌的兩旁，因此提供了非常穩定的軌道驅動，特別適合攀爬陡峭的斜坡。

1900年，美國人埃德蒙·C·摩根(Edmund C Morgan)發明了Morgan 齒軌系統，如圖2(f)所示，簡化了齒軌固定方式，在中間軌道上開設方孔，可作為電力機車的第3根軌道。古德曼機器公司把Morgan 齒軌用于煤礦運輸，1903年在西弗吉尼亞羅利煤礦井下鋪設Morgan齒軌鐵路，1905年在愛荷華州艾佛里斯特煤礦井下鋪設Morgan齒軌鐵路，最大爬坡坡度為16%，如圖3所示。

齒軌鐵路技術的實踐經驗為后來的采煤機齒軌牽引技術提供了思路啟發，早期采用過Marsh 齒軌系統，現在主要是Riggenbach齒軌系統，即業界通稱的齒銷(齒排)牽引機構。

圖2 齒軌驅動的典型系統構成

圖3 艾佛里斯特煤礦井下齒軌運輸車

液壓驅動技術在二戰期間最早用于艦船或作戰車輛的炮塔驅動裝置，1954 年，英國國立農業工程研究所(NIAE)研制出世界上首臺液壓驅動的農業拖拉機，具有雙向無級變速功能，這為采煤機液壓馬達牽引提供了技術借鑒。液壓傳動依靠電機驅動形成二次動力，具有良好的調速特性，但其負載曲線較軟，對環境保持要求很高。在重載驅動情況下，采用電氣傳動是較好選擇，電牽引具有調速可靠性好、傳動效率高、牽引力大、牽引速度高的優點。

1898年，兩名瑞典人達蘭德(R Dahlander)和林德斯特倫(K A Lindstrom)發明了第1臺交流調速電機，通過改變電機極對數，實現了電機兩擋調速，1903年獲美國專利授權；1925年，蘇聯的柯斯琴科院士(М П Костеико)提出了電壓隨頻率變化而實現變頻調速的理論方法；1956年，瑞士歐瑞康(OERLIKON)公司制造異步變頻機控制的變頻調速電力機車；1956年，美國貝爾實驗室發明了可控硅整流器(晶閘管)，1958年美國通用電氣公司首次生產出工業型晶閘管，開創了交流電機變頻調速新技術；1961年，麥克默里(W Mcmurry)和貝德福德(B D Bedford)提出了改進型SCR強迫換向逆變器，使其成為SCR逆變器發展的基礎；1964年，德國施康農(A Shconung)等人率先提出了正弦波脈寬調制(SPWM)的變頻技術思想；1969年，德國學者哈塞(Hasee)提出了轉矩傳遞函數常數化控制方法；1970年，蘇聯制造出1000 kW超同步可控硅串級調速裝置，在馬爾干涅茨礦井罐籠提升機上運行；1971年，德國學者勃拉希克(Blaschke)和弗洛特(Floter)提出了交流電機變頻調速的矢量變換控制方法，用微計算機實現交流電機調速控制；1974年，三菱公司生產出2×1800 kW超同步可控硅串級調速裝置，用于礦井提升機傳動；1984年，德國西門子公司研發出2×10920 kW的同步電動機交-交變頻矢量控制系統，用于迪林根(Dillingen)鋼廠的軋機驅動。

電氣傳動技術創新推動了采煤機向電牽引發展，1976年，德國艾柯夫公司研制出第1臺直流調速電牽引采煤機，1986年，日本三井三池制造所(MITSUI MIIKE MACHINERY CO., LTD.)研發出第1臺交流調速電牽引采煤機。

我國煤礦的早期電牽引調速技術研發主要用于電機車，1971年浙江長廣煤礦改造了可控硅脈沖調速的5 T直流電機車，電機功率5 kW，最大行駛速度5 km/h；1972年，撫順西露天礦和遼寧省煤炭研究所合作把12 T架線電機車改造為可控硅脈沖調速電機車；1973年，長沙礦山研究院研發可控硅變頻調速交流電機車，1977年試制出40 kW的可控硅變頻調速裝置，用于7 T交流電機車，在磁山鐵礦露天采場運行了約2000 km。

1.2 采煤機無鏈牽引技術

早期的采煤機采用鋼絲繩牽引行走，1954年英國安德森公司將圓環鏈牽引用于AB型鉆削式采煤機。由于鋼絲繩和圓環鏈均為柔性牽引部件，存在牽引力受限、隨控性弱、易發生斷裂和振動事故等問題。

1948年，無鏈牽引裝置在英國問世，但未在采煤機上實際應用。1958年，艾柯夫英國分公司首次設計齒輪與滾柱齒條傳動的Eicotrack無鏈牽引系統，其原理如圖4所示，它采用液壓馬達驅動，在埃森國際采礦展覽會上展出[3]。該系統首次用于SWE670型滾筒采煤機，由固定在運輸機外側槽幫上的滾柱齒條與煤機上的齒輪組成傳動副[4]。艾柯拉克牽引系統已是當今電牽引采煤機普遍采用的行走方式。

1965年，蘇聯斯柯欽斯基礦業研究院研制出鏈銷式和齒條式無鏈牽引系統。

20世紀60年代末，國外研發無鏈牽引技術出現熱潮。其在英國煤礦的應用表明，無鏈牽引使采煤機開機時間比有鏈牽引提高約5%。1976年，英國煤炭局(NCB)將無鏈牽引技術作為采煤機最有意義的技術突破，要求新投入使用的采煤機必須是無鏈牽引。

圖4 Eicotrack齒輪銷軌牽引系統

迄今，采煤機無鏈牽引技術主要有4種形式，它們是齒軌式、銷軌式、孔軌式、推進式，如圖5所示。

圖5 采煤機無鏈牽引技術形式

1971年，英國皮特克拉夫特公司設計出Rack-a-track型齒輪齒軌牽引系統，進行地面試驗并取得成功，1972年在英國煤礦井下工作面使用Rack-a-track齒軌牽引的2項發明專利，其工作原理如圖6所示。到1977年，英國煤礦工作面運行了69臺無鏈牽引采煤機，其中40臺是Rack-a-track系統[5]。

圖6 Rack-a-track牽引裝置的工作原理

1972年，英國安德森公司和斯特拉斯克萊德公司聯合研制出滾輪與齒軌傳動的Rollrack 無鏈牽引系統，如圖7所示，最早用于安德森公司的AM150型、AM420型采煤機。

圖7 安德森研發的Rollrack牽引裝置

1974年，蘇聯在莫斯科近郊煤礦使用了批量生產的采煤機無鏈牽引系統，到1979年已有10套КШ-1КГ型采煤機配裝無鏈牽引系統，1981年該煤礦開始廣泛使用無鏈牽型采煤機[6]。

1975年，英國煤礦機械研究所研制出千斤頂行走機構(Ram Propulsion)，在特制的導軌上安裝2個千斤頂，交替卡住導軌并推動采煤機前行，通過控制液壓閥，使采煤機連續移動，但有瞬時停頓現象。英國博爾頓公司也研發了類似的千斤頂推移裝置(Tandem ramtrack)，如圖8所示。

圖8 Tandem ramtrack千斤頂推移裝置

1978年，西德哈爾巴赫-布朗公司(HHB)研制出齒輪與鏈軌傳動的Dynatrac牽引系統，它用1條特制的不等直徑和節距的圓環鏈(Φ38 mm×71 mm+Φ34 mm×160 mm)作為鏈軌，與牽引部驅動的齒輪相嚙合，鏈軌嵌在工作面輸送機擋板(或鏟板)的異形導槽內，在機頭、機尾拉緊固定或若干節溜槽上固定。1979年2月，該系統在阿亨巴赫聯合礦進行了井下工業性試驗，使用EDW-170-200L型采煤機和帶曲線轉盤的90°轉彎EKF-3型刮板輸送機[5]。

1978年，波蘭法姆爾(Famur)煤機廠設計出齒銷傳動的Poltrak牽引系統，依靠齒輪與運輸機上的銷軌驅動采煤機，Poltrak-Ⅰ型是銷軌與垂直安裝的牽引齒輪配副，Poltrak-Ⅱ型是銷軌與水平安裝的牽引齒輪配副，如圖9所示。1979年Poltrak-Ⅱ型無鏈牽引系統在哈利巴礦進行試驗之后，生產出10臺配置Poltrak無鏈牽引機構的KWB-3RDU型采煤機[7]。

截至1979年10月，西德煤礦使用的滾筒采煤機總計96臺(單滾筒采煤機18臺，雙滾筒采煤機78臺)，其中32臺采用無鏈牽引系統，包括Eicotrack型28臺、Dynatrac型和Rack-on-track型各1臺。1980年3月的艾柯夫公司資料顯示，全球已有150臺艾柯夫滾筒采煤機使用Eicotrack銷軌式無鏈牽引系統，采煤機行走輪采用擺線形齒輪，與鋪設在工作面輸送機上的銷軌嚙合，銷軌分為圓柱銷焊接銷軌和齒形鑄造銷軌，銷齒軌節距125 mm[8]。20世紀70年代英國無鏈牽引采煤機使用數量及其增長趨勢如圖10所示。

圖9 Poltrak-Ⅱ型齒銷牽引機構

圖10 英國無鏈采煤機發展趨勢

1979年，日本三井三池制造所研制出8292型銷軌式無鏈牽引系統，最初用于日本有明煤礦，輸出輪是10齒漸開線鏈輪，過橋輪是14個圓柱銷的銷輪，行走輪是13齒漸開線鏈輪，銷軌節距100 mm；后來經過改進形成6565型無鏈牽引系統，在日本四山煤礦使用，改為輸出輪8齒，過橋輪12齒，行走輪9齒，銷軌節距122 mm[9]。

1982年，英國杰弗里·戴蒙德(BJD)公司創制了復合齒軌式(Multitrack)牽引系統，用2片胖齒齒條、齒凸與齒凹交錯結合而形成的雙齒條作為齒軌，嚙合齒輪也雙疊交錯六齒，從而使嚙合強度增大，嚙合過程有連續齒面承力，故接觸率較大，運行平穩，沖擊負荷小。

1987年，英國安德森公司研制出強力鏈軌式(Powertrack)牽引系統，其鏈軌是由1個中環和2個邊環可拆卸的模鍛件組成的長鏈條，嵌在溜槽擋板上的方形斷面導槽內，導槽外口兼作滑靴導向，每節溜槽固定1點，嚙合鏈裝配后放入鏈軌座內，采煤機行走輪與嚙合鏈嚙合[10]。

1990年，美國長壁公司研制出主力鏈軌式(Mastertrack)牽引系統，如圖11所示，采用可拆卸式模鍛鏈作軌道，整個軌鏈是用同一形狀的鏈環互相鉤連而成的，鏈環外形呈方形斷面，裝嵌在重型輸送機擋板上的鏈軌座內，鑄造鏈軌座焊在輸送機擋板上，外口也兼作采煤機導向，1991年在井下試用[10]。

圖11 Mastertrack型牽引系統

我國對無鏈牽引系統研究不多，基本采用國外的無鏈牽引系統，開展了一些對齒距、齒形方面的改進設計工作。

2 國外電牽引采煤機發展

國外的電牽引采煤機制造集中在德國艾柯夫公司、美國久益公司和英國安德森公司，各自形成了系列化機型[1,11-13]。

2.1 艾柯夫電牽引采煤機

艾柯夫公司在世界上較早推出電牽引采煤機，形成以EDW450、EDW300-LN為代表的EDW系列機型，1990年之后新研發出SL300、SL400、SL750、SL900和SL1000系列電牽引采煤機(SL表示Shearer Loader，截割裝載機)。

1976年，艾柯夫公司研制出世界第1臺直流電牽引(他勵電機)的EDW-150-2L-2W采煤機，如圖12所示，被稱為第四代采煤機。該機采高1.3～3.3 m，截割功率2×150 kW。同年11月，該機在奧地利特里梅卡爾姆礦試用成功，最高月產達到33.6萬t，故障率比液壓牽引采煤機降低80%。1978年艾柯夫公司造出EDW-230-2LN-2W型電牽引薄煤層采煤機，是EDW-170LN采煤機增大功率和改進裝煤裝置的衍生機型，該機1979年7月在魯爾礦區瓦爾祖姆礦試用，1980年在薩爾礦區投入使用[14]。1978年研制出EDW-450-L電牽引采煤機，是新一代大功率采煤機，1980年5月該樣機在恩斯多夫煤礦下井試驗，與EDW-300L機型相比，功率增大60%，機身縮短0.8 m[15]。1984年研制出世界上第1臺3.3 kV高電壓采煤機。1986年將EDW-450型采煤機升級為EDW-450/1000L型， 1987年在澳大利亞新南威爾士州烏蘭礦(Ulan)2號井使用[16]。1989年制造出EDW 380/400L交流電牽引采煤機，截割功率為2×380 kW，牽引功率為AC 2×40 kW，最大牽引速度為14 m/min，截深750～1000 mm。

圖12 艾柯夫EDW150-2L-2W電牽引采煤機

1990年，艾柯夫公司研發出世界第1臺現代化電牽引的SL300雙滾筒采煤機，如圖13所示，1995年投入市場。該機采用無底托架設計，多電機橫向布置結構，交流變頻無級調速的強力銷排牽引，用計算機操作控制和顯示記錄運行狀態并檢測故障。1993年SL500采煤機進入市場，能適應當時多種井下條件的中高煤層開采需求。

圖13 艾柯夫SL300采煤機

2000年，艾柯夫公司推出新型SL300L薄煤層采煤機，該機型具有高功率密度、高可靠性、易操作及易維護的優點，具有先進的遠程控制自動化功能，機身高度僅為0.75 m，截割功率2×300 kW，適用采高1.2～2.0 m的薄煤層開采。2003年，艾柯夫公司推出SL750采煤機，它將SL500的強動力與SL300的緊湊性融為一體，擁有EiControl Plus自動化系統，配備紅外和雷達傳感器，曾獲寶馬創新獎。2007年第1臺SL1000型采煤機在神華集團使用，總裝機功率為2600 kW，是當時最大功率采煤機，具有交互式人機對話、設備狀態監測與故障預報、在線控制、數據傳輸等功能。2010年推出中厚煤層SL900采煤機，該機介于SL750和SL1000采煤機之間，綜合了這2種采煤機的優點。2011年SL1000型大采高采煤機投入使用，總裝機功率為2590 kW，供電電壓3.3 kV，采高為2.7～7.0 m。

自1998年以來，艾柯夫公司在中國銷售了260余套電牽引采煤機，目前該公司形成了SL系列電牽引采煤機[17]。

2.2 久益電牽引采煤機

久益公司在20世紀70年代中期開始研發多電機驅動的直流電牽引采煤機，80年代推出3LS、4LS和6LS機型，形成了LS系列電牽引采煤機(LS表示Longwall Shearer，長壁采煤機)。

1975年，美國久益公司研制出世界第1臺1LS型交-直流可控硅調速的電牽引采煤機，如圖14所示，截割功率2×96 kW，在美國凱瑟礦首先使用，它是世界上第1臺采用多電機分布驅動采煤機，打破了采煤機單一電機驅動的傳統理念，顯著改善了可靠性和維護性。之后，久益公司推出1LS1～1LS6系列采煤機，1976-1987年間共生產46臺1LS型采煤機，1LS3型在設計過程中并入1LS1型系列，故沒有生產。1LS6型裝有離機遙控裝置，1LS5、1LS6型采煤機還裝有真空啟動器[18]。

圖14 久益公司的1LS采煤機長壁采煤系統

1978年，久益公司的電牽引采煤機及相關設備裝備了美國第1個長壁開采工作面。1979年推出2LS型厚煤層開采的重型電牽引采煤機，截割功率2×180 kW。1980年在1LS4采煤機上采用了多個微處理機控制系統，這是采煤機控制技術的重大進步，除了能對采煤機進行計算機控制，還能提供一系列診斷功能[19]。1983年推出3LS型中厚煤層電牽引采煤機，截割功率2×180 kW，該機為橫向布置的多電機驅動，采用2臺微處理機進行數據采集、處理顯示、監控故障診斷并發出指令，帶有可分離機器5 m的有線操作盒，顯示電機及控制系統的運行參數[20]。1986年推出4LS采煤機，截割功率2×335 kW，該機采用Eicotrack或Dynatrac無鏈牽引系統、微處理機控制系統和SIRA遠程控制系統，1986年7月首臺樣機在匹茲堡礦區的煤礦使用。1994年，我國引進2臺4LS采煤機，在山西大同煤礦和河南永城煤礦使用。1990年推出6LS大采高采煤機，截割功率2×450 kW，其機身分為3大模塊，以高強度螺栓連接，放棄了傳統的底托架結構；采用多電機橫向布置結構，改變了以往的單電機雙出軸驅動模式；采用久益第七系列電牽引控制系統是當時最完善、最可靠的電氣控制系統；采用微處理機控制液壓閥，有無線電遙控器[21]。

1993年，久益公司推出6LS3型電牽引采煤機，我國神府公司進口1臺，在大柳塔煤礦使用。1996年推出6LS5型電牽引采煤機，截割功率為2×610 kW，在1996-2001年期間，神華集團進口8臺6LS5采煤機。1997年推出7LS系列變頻采煤機，7LS0適用于1.3～2.0 m低采高機型；7LS1A適用于1.5～3.0 m小采高機型；7LS1D適用于1.5～3.5 m中采高機型；7LS2A適用于1.6～3.5 m中采高機型；7LS3A適用于2.0～4.0 m較大采高機型；7LS5適用于2.0～4.5 m大采高機型；7LS6適用于大于5 m超大采高機型；7LS7適用于大于6 m的特大采高機型，如圖15所示；7LS8適用于大于7 m極大采高機型。1999年生產首臺7LS5采煤機，在美國阿拉巴馬州的沙洲溪(Shoal Creek)煤礦運行。

圖15 久益7LS7型采煤機

2011年，久益公司推出7LS8采煤機，是為我國神華集團神東煤炭公司定制的機型，總裝機功率為2925 kW，截割功率2×1000 kW，采高4.5～7.2 m，最大牽引速度26 m/min，采高和裝機功率均為當時的世界之最，用于大柳塔煤礦7 m大采高工作面[22]。

2.3 安德森電牽引采煤機

1981年，英國安德森公司試制成功世界上最大功率的ASTRO 1000型電牽引采煤機，以滿足美國食品機械化學公司(FMC)用長壁法開采厚度2.9 m、抗壓強度高達48 MPa的天然堿礦。1984年研制出首臺截割電機嵌入搖臂的Electra 550直流電牽引采煤機，如圖16所示，總裝機功率430 kW，采高1.3～3.5 m，采用MIDAS自動導向控制。該機是根據美國煤礦用戶的要求而設計，1984年底投入使用。1988年研制出Electra 1000直流電牽引采煤機，該機最初為美國二十英里礦長壁綜采工作面研制，截割功率為2×375 kW，其機身結構不同于傳統采煤機的串聯式結構，主機架呈箱形結構，其他部件則插裝或鏈接在主機架上，這些部件在結構上具有獨立性，且各自擁有獨立電動機驅動。在1991和1993年2次大修時，加裝了自動記憶滾筒搖臂調高系統(MIMIC)和機載紅外線引導液壓支架升降推移系統，解決了工作面開采中的頂板管理問題，顯著提高了產量和效率。

圖16 Electra 550型直流電牽引采煤機

1991年，安德森公司制造出Electra 750型直流電牽引采煤機，1991年研制出Electra 2000型電牽引采煤機，是世界上第1臺5 kV高壓電牽引采煤機，為法國洛林(Lorriane)礦區研制，該機具有無限電遙控、端頭遠程控制和人工控制功能，通過Telsafe系統傳輸數據[23]。

1996年，并入美國朗艾道(Long Airdox)的安德森公司推出EL3000強力重型電牽引采煤機，如圖17所示，用于美國二十英里礦超級綜采工作面，這是當時世界上功率最大、牽引速度最快的新型采煤機，截割電機功率為2×600 kW，交流變頻牽引電機功率為2×100 kW，最大牽引速度為45.9 m/min，該采煤機裝有γ射線傳感器，實現煤巖分界自動調節，可控制割留煤皮厚度[24]。

2.4 三井三池電牽引采煤機

1985年，日本三井三池制作所研發出MCLE500-DR101101型交流電牽引采煤機，其截割電機功率500 kW，適用于厚度1.9～4.5 m煤層開采，首臺采煤機在日本煤礦使用，第2臺采煤機于1987年應用于澳大利亞煤礦；1986年研發了MCLE400-DR6868型交流電牽引采煤機，是世界首臺交流電牽引采煤機，有遙控和手動2種操作功能；1987年研發出MCLE300-DR7575交流電牽引薄煤層采煤機，如圖18所示，采高0.8～1.69 m；1987年又研發出MCLE350-DR7770電牽引雙滾筒采煤機，1臺截割電機功率為350 kW，驅動2個截割滾筒，1987年12月該機在日本太平洋煤礦投入使用，后來該機截割功率增至400 kW，轉型為MCLE400-DR6868電牽引采煤機。

圖17 朗艾道EL3000重型電牽引采煤機

1992年，三井三池制作所研發出MCLE600-DR102102交流變頻調速電牽引采煤機，其截割電機功率600 kW，具有顯示監控、主電機恒功率自動控制和故障診斷系統；并能實現手動控制、遙控和無線電控制功能，1994年該機在我國山西大同礦務局使用。

圖18 日本MCLE300-DR7575薄煤層采煤機

2.5 其他國家的電牽引采煤機

1977年，蘇聯制造出К128П型直流電牽引采煤機，之后研制出多種直流電牽引采煤機，其中1КЩЭ電牽引采煤機成為中厚以上煤層的綜采機組主力配套機型，1991年代又開發出К-88Э型交流電牽引采煤機。

1990年代中期，波蘭陸續開發了KSE系列交流電牽引采煤機，包括薄煤層的KSE-360型采煤機、中厚煤層的KSE-700、KSE-800RW/2BP、KSE-535S/2BP、KSE1000型采煤機，截深800～1000 mm。

1995年，法國沙吉姆公司研制成功Panda-E型交流電牽引采煤機。

1995年，烏克蘭研制出УКД200-250電牽引爬底板薄煤層采煤機，電磁調速外牽引，采高0.8～1.3 m；2000年研制出УКД300型電牽引爬底板薄煤層采煤機，非機載變頻調速牽引，截割功率2×180 kW，采高0.85～1.5 m；2016年研制出УКД400型雙滾筒薄煤層采煤機，如圖19所示。

圖19 烏克蘭УКД400 爬底板采煤機

3 我國電牽引采煤機發展

1986年，四川煤礦機械廠與重慶大學、德陽礦機廠等單位聯合研制了MG62-D型極薄煤層電牽引單滾筒采煤機(MLTB-50型)，它是我國研發的第1臺電牽引采煤機，截割電機功率為50 kW，牽引部采用2.5 T電機車的DZJB-4.5直流電機，采高為0.35～0.55 m，該機在重慶江北煤礦和開縣煤礦進行了工業性試驗[25]。

1987年，我國引進了2臺美國久益公司的3LS直流電牽引采煤機，之后我國開始自主研發大功率電牽引采煤機。

3.1 煤炭科學研究總院上海分院創制機型

1991年，煤炭科學研究總院上海分院(以下簡稱“上海分院”)與波蘭柯瑪格(KOMAG)采煤機械研究院合作研發了MG344-PWD型交流變頻電牽引采煤機，如圖20所示，柯瑪格采煤機械研究院承擔部分機殼及傳動系統的制造，上海分院負責電氣部分制造及整機裝配，該機截割功率為2×150 kW，處于當時的國際先進水平，適用采高0.9～1.6 m的薄煤層開采，同年9月在大同礦務局雁崖礦11號煤層81402工作面進行了工業性試驗[26]。

1995年上海分院研制的MG200/500-WD型電牽引采煤機填補了我國自主制造多電機驅動、橫向布置的交流電牽引采煤機的空白。1997年研制的MG400/880-WD型交流電牽引采煤機是為日產7000 t高產高效工作面研制的大功率交流電牽引采煤機[27]；同年研制出MG200/450-WD型騎輸送機薄煤層采煤機，是我國第1臺搖臂電機在煤壁側布置的交流電牽引薄煤層采煤機。2003年制造的MG420/965-WD型采煤機是采用多電機驅動、截割電機橫向布置的新型無鏈電牽引采煤機，可與當時的SL300電牽引采煤機媲美[28]。2005年制造的MG750/1815-GWD型電牽引采煤機是我國第1臺采用分布嵌入式DSP控制系統的厚煤層大功率采煤機，采用CAN總線技術、DSP數據處理技術和巷道數據通訊技術，實現了采煤機工況監測、控制、故障診斷和安全預警功能[29]。

圖20 國產MG344-PWD型爬底板采煤機

至今，上海分院及后來更名的中國煤炭科工集團上海研究院有限公司共研發出40種電牽引采煤機，如表1所示，成為我國電牽引采煤機的重要創新基地。

表1 上海分院創制機型及時間

2018年3月，上海分院研制出MG1100/2925-WD型超大采高采煤機，最大采高8.8 m，創造了當時采煤機割煤高度的新記錄[30]。2019年7月設計制造的MG1100/3030-WD型超重型電牽引采煤機，如圖21所示，總裝機功率為目前世界采煤機最大，為3450 kW，可實現9 m超厚煤層一次采全高的智能化高效開采。

圖21 出廠前的MG1100/3030-WD型采煤機

3.2 雞西煤礦機械廠創制機型

1991年，黑龍江雞西煤礦機械廠(以下簡稱“雞西煤機廠”)仿制美國3LS型電牽引采煤機生產出MG463-WD型交流變頻電牽引采煤機，如圖22所示，是國家“七五”期間煤炭采掘機械技術引進一條龍專項項目之一[31]，截割功率2×200 kW，6臺交流電機都以橫向布置，主控制器采用微機技術，交流變頻調速系統采用WOLKMANM9000變頻器，該機在鐵法煤業集團曉明礦進行了工業性試驗[32]；同年制造出MG300/680-WD中厚煤層電牽引采煤機，是當時國內最大功率的電牽引采煤機，采高2.0～3.6 m，填補了我國自行研制大功率電牽引采煤機的空白，該機在大同礦務局晉華宮礦綜采一隊12號煤層8101工作面進行了工業試驗；1999年研制出MG400/985-WD型電牽引采煤機，選用正弦波脈寬調制(SPWM)、數字控制的交流-直流-交流型電壓控制變頻器，具有運行參數顯示、故障記憶及保護等功能[33]。

圖22 國產第1臺MG463-WD型電牽引采煤機

2000年，雞西煤機廠造出MG400/920-WD型大功率交流電牽引采煤機，交流變頻調速系統采用 ABB系列變頻器，大功率整流晶體管采用IGBT模塊，控制系統采用32位微機處理，大屏幕PLC顯示各種保護、診斷[34]；2002年制造MG132/315-WD型薄煤層采煤機，采高0.95～1.70 m，采用電磁滑差調速銷軌式無鏈牽引。2003年制造MG300/730-WD型電牽引采煤機，采高1.9～3.8 m，搖臂設有強迫潤滑系統，牽引部實現電液驅動互換；2004年制造MG80/102-BWD薄煤層單滾筒采煤機，適用于采高范圍0.8～1.4 m；2007年改制之后的雞西煤礦機械有限公司制造出MG800/2040-WD型電牽引采煤機，采高為2.7～5.5 m；2011年制造MG2×70/325-BWD型薄煤層采煤機，采用機載無鏈電牽引(四象限控制)，采高0.85～1.55 m。

3.3 太原礦山機器廠創制機型

山西太原礦山機器廠已累計生產各種采煤機1600多臺，應用于山西煤礦采出煤炭60多億t，研發制造出我國第1臺900 kW大功率電牽引采煤機、第1臺MG1100/3000-WD型智能化采煤機。

1996年，太原礦山機器廠與上海分院聯合研制MG375/830-WD型交流電牽引采煤機，基于AM500/3.5液壓采煤機改造設計，用大功率晶體管PWM變頻調速技術改造，同年在山西晉煤集團鳳凰山煤礦5303工作面進行了井下工業性試驗[35]。1997年，該廠在引進英國安德森公司Electra 1000直流電牽引全套技術的基礎上，制造出MGTY400/900-3.3D型交流變頻電牽引采煤機，如圖23所示，同年11月在山東兗礦集團南屯礦和山西大同礦務局馬脊梁礦進行了工業性試驗[36]；以此為基礎，1999年開發出MG250/600-1.1D、MG300/700-1.1D型交流電牽引采煤機，該機是多電動機驅動、橫向布置結構的采煤機，采用可編程序控制器、PWM變頻調速技術和先進信號傳輸技術，實現了操作可靠簡便和牽引無級調速，在山西潞安礦務局漳村煤礦1307工作面進行了工業性試驗[37-38]。

圖23 MGTY400/900-3.3D型采煤機

2006年，太原重型機械集團煤機有限公司制造出MGTY750/1800-3.3D型交流電牽引采煤機，在山西同煤集團大斗溝煤業公司使用。2009年研制出MG1000/2500-WD型大采高電牽引采煤機，是國家“十一五”科技支撐計劃課題“年產千萬噸級礦井大采高綜采工作面成套裝備與關鍵技術”的重點設備，最大采高6.3 m，具有滾筒高度位置檢測、記憶、自動調高等功能。2012年研發出國家“十二五”智能制造裝備專項的MG1100/3000-WD智能化電牽引采煤機，該機在智能化方面采用了新一代采煤機煤巖分界技術，首創采區截割煤層地質構造的數字平臺，實現截割軌跡的規劃和導航。2015年研制出MG1100/2860-WD電牽引采煤機，一次采全高可達7.2 m，在山西潞安集團王莊煤礦進行了工業性試驗，被評為“2015年中國煤機行業十大科技創新成果”。

3.4 遼源煤礦機械廠創制機型

1997年， 遼源煤礦機械廠(以下簡稱“遼源煤機廠”)仿制蘇聯的1К103型電牽引采煤機，制造了我國第1臺MG668-WD型電磁調速電牽引采煤機；2005年研制出MG80/188-BWD型極薄煤層電牽引采煤機，是一種新型多電機驅動采煤機，采高0.7～1.5 m，4臺截割電機分別橫向布置在左右搖臂上，采用無底拖架設計，最大程度地增大過煤高度；2006年制造出MG80/108-BWD型單滾筒采煤機，采用非機載變頻電牽引，采高 0.80～1.23 m；2008年制造MG500/1220-WD交流電牽引采煤機，采高2.00～4.35 m；2009年研制出MG110/130-TPD型單滾筒采煤機，首次在極薄煤層采煤機中采用了交流變頻電牽引技術，采高 0.52～0.80 m；同年，研發出MG170/388-BWD型系列交流電牽引采煤機，適于0.9～1.6 m煤層，傾角≤35°，煤硬度f≤4的煤層開采，后又研制出MG140/330-BWD型薄煤層采煤機，是一種多電機驅動、橫向布置的交流機外載交流變頻電牽引采煤機； 2010年，遼源煤機廠制造出MG110/265-BWD型薄煤層電牽引采煤機，如圖24所示，適用于采高0.9～1.6 m、傾角≤40°、煤硬度f≤4的煤層開采；同年，制造出MG200/245-TPD型極薄煤層電牽引單滾筒采煤機，是一種多電機橫向布置的爬底板式、齒鏈牽引采煤機，適用于開采0.69～0.95 m的極薄煤層；2012年研制出MG150/350-PWD型懸機身爬底板無鏈牽引雙滾筒采煤機，采高0.75～1.30 m，在小河嘴煤礦4026和4028兩個大傾角工作面進行了工業試驗。

圖24 MG110/265-BWD型薄煤層采煤機

3.5 西安煤礦機械廠創制機型

1994年，陜西西安煤礦機械廠(以下簡稱“西安煤機廠”)與德國艾柯夫公司合作生產MXA-380E/3.5型電牽引采煤機，在MXA-300/3.5液壓采煤機上改裝艾柯夫公司的電牽引部和配電箱；1996年推出MXB-880型直流電牽引采煤機，總體布置、傳動系統與EDW450/1000-L型直流電牽引采煤機相近，是我國當時功率最大、技術最先進的電牽引采煤機，采高為2～4 m[1]；2001年推出MXG-150/350D和MXG-500/4.5D型電磁調速電牽引采煤機；2008年，該廠研制成功MG900/2320-GWD型采煤機，最大采高6.3 m，可實現遠程智能監控，2009年在陜西煤化集團紅柳林礦投入使用；2009年研制出MG1000/2550-GWD型交流電牽引采煤機，最高割煤高度為7.1 m，可實現自動記憶調節采煤高度，遠程自動化監控，采煤工作面“三機”聯動等功能；2010年研制出世界首臺大功率MG2×200/925-AWD交流電牽引薄煤層采煤機，該機采高2.5 m，具有記憶截割功能，是當時薄煤層采煤機中最大功率的采煤機，在陜西煤業化工集團韓城礦業象山礦12301工作面進行了工業性試驗[39]；2017年改制出8 m大采高采煤機，在補連塔煤礦12512綜采工作面運行；2019年研發出MG1100/3030-GWD型采煤機，如圖25所示，采高8.8 m，在國家能源集團神東礦業公司上灣煤礦12402綜采工作面投運。西安煤礦機械廠的主要創制機型如表2所示。

圖25 井下運行的MG1100/3030-GWD型采煤機

3.6 我國其他制造企業創制機型

2001年，河北邢臺金牛礦業機械公司研發出MGN132/316-WD型電磁調速電牽引采煤機，適于1.1～1.9 m、傾角<30°的薄煤層開采，采用電磁滑差調速交流驅動齒輪銷軌式無鏈牽引，牽引速度0～6 m/min[40]。

表2 西安煤機廠創制機型及時間

2005年，山東先河機電公司制造出ZB2D-111型交流電牽引采煤機，采用SPWM變頻調速技術，適用于采高0.75～1.50 m、煤層硬度f≤2.5的薄煤層開采。

2006年，三一重裝集團公司制造出MG200/500-WD采煤機，它是該公司生產的首臺采煤機，采高1.6～3.0 m。2014年推出MG210/485-PWD型交流電牽引采煤機，如圖26所示，截割功率2×210 kW。

2012年，上海創力公司與同煤集團聯合研發了MG200/455-BWD型交流電牽引薄煤層采煤機，采高1.0～1.7 m，2013年該機在同煤集團云岡礦8805工作面首采成功。

2014年，江蘇徐工集團生產的電牽引采煤機通過了國家安標礦用產品安全評審，標志著徐工集團從工程機械進入采煤機制造領域，目前已生產MG150、MG160、MG180、MG200、MG250、MG300、MG400、MG450、MG500等型號的交流變頻電牽引采煤機，采高范圍0.9～4.0 m，總裝機功率為360～1180 kW。

圖26 MG210/485-PWD型電牽引采煤機

2017年，山東兗礦東華重工研制出MG2×70/325-BWD電牽引薄煤層采煤機，用2臺70 kW電機共同驅動截割滾筒，截深630 mm，機載無鏈電牽引，牽引速度0～6.58 m/min；適合于采高0.85～1.55 m、傾角≤35°和煤質硬度f<4的煤層開采，具有采煤機傾斜角度和搖臂位置檢測、現場總線控制和記憶截割功能；該機在兗礦集團北宿煤礦5615工作面進行了工業性試驗，期間累計生產原煤108萬t[41]。

4 結語

電牽引采煤機誕生之后，使采煤機自動化程度得到大幅度提高，這得益于齒軌驅動和電機調速技術創新，產生了第四代的無鏈牽引采煤機和第五代的電牽引采煤機。

以單滾筒截割功率為對比指標，中外電牽引采煤機向重型化發展態勢如圖27所示。我國電牽引采煤機起步比國外滯后約10年，先是通過技貿結合方式，與波蘭、美國、英國、德國的先進技術合作制造產品，之后我國電牽引采煤機發展速度與國外基本平行。從2006年起，我國電牽引采煤機開始大跨越，迅速達到國外技術水平，近15年間在截割功率和采高指標上趕超了國外產品。

我國電牽引采煤機發展呈現了類似剪刀狀的3條脈絡，如圖28所示。

(1)1990-2010年期間，電牽引采煤機的截割功率近似線性地從300 kW增至2000 kW，之后10年的截割功率大致保持在2200 kW左右，但總裝機功率出現增大趨勢，以滿足重載牽引及高產量破碎的功率需求。

(2)從1995年開始，我國對截割功率在 300 kW左右的電牽引采煤機研發速度加快，出現了各類中小功率電牽引采煤機，以滿足薄煤層開采的需要。

圖27 中外電牽引采煤機截割功率發展態勢

圖28 我國電牽引采煤機的型譜分布

(3)2005-2010年期間，我國研發出一批400～1600 kW截割功率的電牽引采煤機，填補了大采高與低采高之間的采煤機型譜空白。由此，形成了剪刀形的電牽引采煤機型譜。

截至2020年5月，我國煤礦有井工礦4841處，其中在產井工礦2187處，有超過3330個綜采工作面，另有在產露天礦207座。如果把采煤機使用壽命設為5年，由此測算我國采煤機的需求量在670臺/年左右，這個數量與“采煤機技術發展歷程(二)——銑削式滾筒采煤機”[43](《中國煤炭》2020年第7期)一文所預測的產量曲線(近700臺)基本吻合。

筆者認為，電牽引采煤機是未來我國煤礦智能化開采的必需裝備，總截割功率覆蓋范圍300～2400 kW，如此寬的采煤機型譜說明我國煤炭開采條件差異非常大。但是，目前的電牽引采煤機依然采用傳統的刮板機導控行走方式，存在著偏載力矩大、行走阻力大、導向部件磨損快等難題，始終沒有得到很好解決。隨著機械傳動技術創新、永磁電機的成熟應用，未來的電牽引采煤機行走技術還需改進，大功率電牽引采煤機亟需研發更可靠、更智能的采煤機器人行走技術。

致謝：謹以此文向為我國電牽引采煤機發展做出卓越貢獻的前輩們致敬！致謝為本文索引資料提供便利的中國知網、百度咨詢、360百科等信息平臺。本文述及的采煤機研發年份可能有偏差，請讀者幫助校正和補充。