芻議機(jī)電一體化技術(shù)在綜合采煤設(shè)備中的應(yīng)用

張 銳

（富源縣煤炭工業(yè)局，云南 曲靖 富源 655500）

1 前言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,機(jī)電一體化已經(jīng)成為機(jī)械電子工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。機(jī)電一體化技術(shù)順應(yīng)了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律,使機(jī)電產(chǎn)品具有機(jī)械與電子技術(shù)相結(jié)合的整體優(yōu)勢(shì),給傳統(tǒng)工業(yè)帶來了革命性的變革,并產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

煤炭工業(yè)是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),一些發(fā)達(dá)國(guó)家已清楚地認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品已不再適應(yīng)高產(chǎn)高效煤炭生產(chǎn)需要。70年代末80年代初,機(jī)電一體化技術(shù)和有關(guān)產(chǎn)品在煤炭工業(yè)中得到推廣使用。發(fā)達(dá)國(guó)家在煤炭工業(yè)以微電子技術(shù)為基礎(chǔ),自動(dòng)化技術(shù)并以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心,大力發(fā)展機(jī)電一體化高產(chǎn)高效綜采設(shè)備(綜采設(shè)備主要是指工作面采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和液壓支架等)。

80年代以來,一些先進(jìn)國(guó)家在研究、開發(fā)和生產(chǎn)綜采設(shè)備方面集中體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),這些設(shè)備日益大型化和自動(dòng)化,并且具有高可靠性和長(zhǎng)壽命。如采煤機(jī)可連續(xù)采煤350萬t,工作面刮板運(yùn)輸機(jī)最高可運(yùn)煤600萬t,設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度也不斷提高,還出現(xiàn)了全自動(dòng)控制的采煤機(jī),實(shí)現(xiàn)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(chǎn)量和綜采設(shè)備使用效率大大提高了,形成了現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)的鮮明特點(diǎn)。

2 國(guó)外綜采設(shè)備機(jī)電一體化應(yīng)用與發(fā)展

為使煤炭生產(chǎn)工效和安全得到提高,許多國(guó)家從70年代就對(duì)綜采設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。采煤機(jī)利用微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)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(diǎn)。進(jìn)入80年代,直流電牽引系統(tǒng)越來越多地被交流變頻(VVVF)電牽引系統(tǒng)所取代,它使采煤機(jī)的割煤速度進(jìn)一步提高,在可靠性、效率以及節(jié)能等方面也有所提高。由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段也進(jìn)一步完善,大大推進(jìn)了綜采設(shè)備的自動(dòng)化程度,使其具有自動(dòng)控制、工況監(jiān)測(cè)、故障診斷、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)對(duì)話、顯示報(bào)警和斷電記憶等功能。就TeisafeOV-AC系統(tǒng)來說,它是在采煤機(jī)上裝有一整套傳感器,用來采集采煤機(jī)的工作位置、方向、速度、搖臂相對(duì)機(jī)身的位置、煤層傾角及傾斜狀態(tài)、油液壓力和溫度等數(shù)據(jù)資料,這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后,用以進(jìn)行輔助遙控,并對(duì)作業(yè)面工作情況采用圖形方式顯示和記錄,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷。而英國(guó)煤炭工業(yè)研究的重點(diǎn)也是涉及監(jiān)測(cè)監(jiān)控及故障診斷的工程設(shè)計(jì)。國(guó)外在采煤機(jī)的智能化方面也作了許多工作,主要是把計(jì)算機(jī)與傳感器結(jié)合起來,使采煤機(jī)具有數(shù)據(jù)處理、自診斷、軟硬件結(jié)合、人機(jī)對(duì)話、顯示報(bào)警和斷電記憶等功能。

由于機(jī)電一體化技術(shù)被廣泛用于綜采設(shè)備,使其性能提高,功能增強(qiáng)。具體反映為:增加了若干自動(dòng)操作功能和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,使設(shè)備的可靠性明顯提高。采用自診斷、停電對(duì)策等新技術(shù)后,改善了操作性能。具有不同程度的自動(dòng)控制功能,甚至有些還具有自適應(yīng)和智能化等功能,使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。由于交流電機(jī)采用微機(jī)控制使其既具有直流電機(jī)的調(diào)速性能,又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、機(jī)械慣量小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)方式向“柔性化”和綜合自動(dòng)化方面發(fā)展。電子技術(shù)的介入,提高了綜采設(shè)備的檢測(cè)和控制裝置水平,并帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國(guó)外綜采設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)是更加廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù),提高監(jiān)測(cè)監(jiān)控和故障診斷水平,提高自動(dòng)化程度,并向智能化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)采煤工作面真正無人化。使具有機(jī)電一體化的采煤設(shè)備帶有更高性能的智能裝置,即“全息”特性。

3 國(guó)內(nèi)綜采設(shè)備機(jī)電一體化現(xiàn)狀

我國(guó)煤炭事業(yè)取得了巨大成就,尤其是近10年煤炭產(chǎn)量不斷提高。1995年全國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)10.8億t,居世界產(chǎn)煤國(guó)第一位。隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展,國(guó)產(chǎn)綜采設(shè)備技術(shù)水平有了很大提高,國(guó)產(chǎn)設(shè)備采煤比例由1981年的20.52%上升到現(xiàn)在的73.03%,比重占3/4,產(chǎn)煤量達(dá)13504.6萬t,占出煤的37.67%。為適應(yīng)煤礦現(xiàn)代化的高產(chǎn)高效需要,綜采設(shè)備利用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)可以顯著提高設(shè)備的效率、技術(shù)性能和易維護(hù)性。在利用高產(chǎn)高效綜采設(shè)備中,我國(guó)“八五”期間出現(xiàn)了一批200萬t以上的綜采隊(duì)。然而就工作面采煤機(jī)而言,絕大部分為液壓牽引,少數(shù)電牽引采煤機(jī)為國(guó)外引進(jìn)。

雖然我國(guó)在綜采設(shè)備機(jī)電一體化技術(shù)研究方面與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家存在較大差距,但近年來對(duì)綜采設(shè)備機(jī)電一體化技術(shù)除引進(jìn)外還部分實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。如西安煤機(jī)廠引進(jìn)全套德國(guó)艾柯夫公司生產(chǎn)的直流電牽引采煤機(jī)。在國(guó)產(chǎn)化方面,由科研院所生產(chǎn)廠家共同研制了交流電牽引采煤機(jī),其中電氣關(guān)鍵部分變頻器由國(guó)外引進(jìn),部分電控設(shè)備采用引進(jìn)技術(shù)。電液控制的液壓支架國(guó)內(nèi)還沒有正式產(chǎn)品,均處于試驗(yàn)階段。重型工作面刮板運(yùn)輸機(jī)微機(jī)控制的軟啟動(dòng)系統(tǒng)正處于研制和試驗(yàn)中,不具備綜采設(shè)備工況監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)?？傊?綜采設(shè)備機(jī)電一體化在煤炭行業(yè)處于起步階段。

4 綜采設(shè)備的發(fā)展與相關(guān)技術(shù)的研究

產(chǎn)高效綜采設(shè)備的特點(diǎn)是重型化、大功率化、大能力化和高性能(自動(dòng)監(jiān)控)化。高產(chǎn)高效綜采設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是:采煤機(jī)--大功率、大截深、交流電牽引、監(jiān)測(cè)監(jiān)控;運(yùn)輸機(jī)--大功率、大能力、軟啟動(dòng);液壓支架--高工作阻力、微機(jī)與電液控制、快速移架;設(shè)備配套總能力在2000t/h以上,采區(qū)設(shè)備總?cè)萘?000kW以上,供電電壓2kV以上。為此,根據(jù)我國(guó)煤炭行業(yè)的實(shí)際情況,追蹤國(guó)際先進(jìn)技術(shù),應(yīng)積極開展高產(chǎn)高效綜采設(shè)備機(jī)電一體化技術(shù)的研究,加快這一進(jìn)程的發(fā)展。

4.1 傳感器研究

近年來,我國(guó)在綜采設(shè)備機(jī)電一體化技術(shù)方面作了一些研究,尤其是檢測(cè)傳感器,主要包括:電壓電流、功率測(cè)定、牽引速度、電機(jī)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(jìn),部分需完善和提高。為此,研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括:a.關(guān)鍵部位傳感器的研制。采煤機(jī)機(jī)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(yùn)輸機(jī)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(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化;c.提高傳感器結(jié)構(gòu)性能,測(cè)量精度和可靠性。

4.2 測(cè)控裝置研究

在對(duì)傳感器研究的同時(shí),也要對(duì)綜采設(shè)備的保護(hù)功能和控制功能進(jìn)行研究。由檢測(cè)的各工況參數(shù),經(jīng)微機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理,并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作值,給出相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。另外在機(jī)組發(fā)生故障情況下,結(jié)合井下工作特點(diǎn),用聲、光發(fā)出報(bào)警或用顯示的方式,顯示出故障點(diǎn)和故障性質(zhì),而這些過程也是通過微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)的。利用微機(jī)軟件運(yùn)算方便、靈活的特點(diǎn),對(duì)采煤機(jī)實(shí)行智能化的功率控制,根據(jù)過載的不同程度,分別實(shí)現(xiàn)減速、立即停機(jī)或倒退等功能的研究。進(jìn)一步的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制。

4.3 工況監(jiān)測(cè)和故障診斷

由于綜采設(shè)備可靠性失效引起工時(shí)損失是形成當(dāng)前開機(jī)率低的主要因素之一,所以要在技術(shù)方面作重點(diǎn)研究。其主要內(nèi)容利用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行檢測(cè),使采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)功能。其中研究的項(xiàng)目應(yīng)包括:采煤機(jī)微機(jī)處理故障監(jiān)測(cè)裝置、綜采設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷裝置、采煤機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)等、刮板運(yùn)輸機(jī)故障診斷與監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)研究是當(dāng)前系統(tǒng)可靠性研究的方向。

4.4 變頻器技術(shù)研究

變頻器是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)電一體化的關(guān)鍵,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深入研究。可以通過我國(guó)自行研制的全數(shù)字化提升機(jī)成功經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù),借鑒到采煤機(jī)變頻器研制中。

5 結(jié)語

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展,以微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心,并具有多種傳感器的監(jiān)測(cè)監(jiān)控和故障診斷裝置已成為先進(jìn)綜采設(shè)備的一個(gè)特點(diǎn)。我國(guó)應(yīng)大力開發(fā)和應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù),使國(guó)產(chǎn)綜采設(shè)備自動(dòng)化水平得到提高。

[1]岳巧珍.煤礦機(jī)電一體化及其發(fā)展方向初探[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999-12-30.