我國刮板輸送機發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及關鍵技術(shù)

趙巧芝

(中煤國際工程設計研究總院有限公司，北京 100120)

在當前采煤工作面內(nèi)，刮板輸送機的作用不僅是運送煤和物料，而且還是采煤機的運行軌道，因此它成為現(xiàn)代化采煤工藝中不可缺少的主要設備。但由于刮板輸送機在煤礦井下的工作環(huán)境惡劣，如：采煤機往復運行割煤，載荷周期性變化引起刮板輸送機所受載荷不均衡；瞬間沖擊載荷大，如片幫、冒頂?shù)葼顩r的發(fā)生會引起瞬間負荷增大，甚至造成刮板輸送機壓死停車；刮板鏈左右鏈條受力不均勻，原煤和矸石、沙粒、水中的腐蝕性介質(zhì)等，易導致溜槽、刮板、鏈條磨損大[1-3]。因此，工作性質(zhì)要求刮板輸送系統(tǒng)抗過載能力強、強度高、耐磨以及可靠性高。同時，刮板輸送機是井工煤礦綜采工作面的核心裝備，可用于水平運輸，亦可用于傾斜運輸，其安全性能及工作可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)和工作效率。目前，井工煤礦是我國煤炭生產(chǎn)的主體，推動井工煤礦智能化開采是煤炭技術(shù)升級的關鍵環(huán)節(jié)，刮板輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，其可靠性、智能化程度直接影響了井工煤礦智能化開采水平。因此，研究刮板輸送機目前存在的問題、關鍵技術(shù)以及未來的發(fā)展方向非常重要[4]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

刮板輸送機在煤礦的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個階段。第一階段在20世紀30—40年代，是可拆卸的刮板輸送機，如V型、SGD-11型、SGD-20型等。第二階段是20世紀40年代前期由德國制造的可彎曲刮板輸送機，這種刮板輸送機可適應底板凹凸不平和水平彎曲等條件，移設時不需拆卸，并且運煤量也有所增大，如SGW-44型刮板輸送機[5-7]。第三階段是20世紀60年代的大功率鎧裝可彎曲重型刮板輸送機，如SGD-630/75型、SGD-630/180型等。目前，以美國CAT公司和JOY公司為代表的輸送機產(chǎn)品是當今國際先進水平的標志，其產(chǎn)品抗過載能力強、強度高、耐磨性以及可靠性高，我國進口的輸送設備多為這兩家的產(chǎn)品。我國煤礦長壁綜采機械化始于20世紀70年代末，隨著不斷推廣和發(fā)展，已經(jīng)具有一定研究開發(fā)、生產(chǎn)制造刮板輸送機的能力，并成功地開發(fā)研制出多系列適應我國國情的綜采和綜放工作面輸送設備，基本滿足國內(nèi)市場的需求[8]?，F(xiàn)在我國中、小功率刮板輸送機已具備成型技術(shù)，并有成熟的制造能力，中型和重型輸送設備方面與國外的產(chǎn)品水平基本相當。近些年來，通過對引進設備的消化、吸收和國產(chǎn)化舉措，集成應用與自主研發(fā)了驅(qū)動、中部槽、圓環(huán)鏈、自動伸縮機尾、動力學分析與控制、工況在線監(jiān)測監(jiān)控等技術(shù)，已研制出槽寬為1000mm、1350mm、1500mm，裝機功率為3×1000kW、3×1500kW、3×1600kW、3×2000kW等系列的重型、超重型刮板輸送機成套裝備，壽命(過煤量)最大達5000萬t，逐步替代了進口輸送設備。

1.1 驅(qū)動技術(shù)

刮板輸送機有多種驅(qū)動方式。對于中小功率刮板輸送機一般采用“單速電機+限矩型偶合器”、“雙速電機+彈性塊聯(lián)軸器”和“雙速電機+摩擦限矩器”的方式，對于大功率刮板輸送機一般采用“單速電機+閥控充液型偶合器”、“變頻器”。

刮板輸送機帶載啟動的大電流會沖擊設備和電網(wǎng)，隨著系統(tǒng)裝機功率的提高，雙速電機驅(qū)動無法重載啟動。軟啟動技術(shù)實現(xiàn)了刮板輸送機無負載起動、過載保護、多電機自動負載平衡，改善了刮板輸送機的起動性能和運行可靠性。軟啟動裝置已成為重型刮板輸送機的標準配置，主要有閥控充液式液力偶合器、可控起動傳輸裝置(CST)和變頻調(diào)速三種軟啟動技術(shù)。閥控充液型液力偶合器是一種以水為介質(zhì)將自動控制技術(shù)和渦輪傳動技術(shù)緊密結(jié)合的軟起動系統(tǒng)，是典型的機、電、液一體化系統(tǒng)。通過閥控改變充液量，實現(xiàn)軟起動、負載平衡、過載保護等功能，傳遞功率800～1600kW[9]。CST是一個由多級齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統(tǒng)。輸出扭矩是由液壓系統(tǒng)控制的，隨著離合器上所加的液壓壓力而變化。但它們對水質(zhì)或油質(zhì)的要求嚴格，維護使用的成本高，基本沒有節(jié)能功效，無法實現(xiàn)自動調(diào)速，功率平衡效果不佳[10]。

目前，大功率變頻驅(qū)動技術(shù)廣泛應用于重型及超重型刮板輸送機成套裝備，主要有一體式變頻驅(qū)動和分體式變頻驅(qū)動兩種形式。一體式變頻驅(qū)動和分體式變頻驅(qū)動對比分析見表1。

表1 一體式變頻驅(qū)動和分體式變頻驅(qū)動對比分析

前幾年刮板輸送機采用分體式變頻器較多，但隨著變頻一體機的發(fā)展，目前又開始采用一體式變頻器。從大體趨勢看，一體式變頻器的應用會越來越多。

當前，采用變頻驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了智能調(diào)速、高精度功率平衡、刮板機斷鏈保護和低速滿扭矩運行控制功能，實現(xiàn)對刮板輸送機、轉(zhuǎn)載輸送機、破碎機、帶式輸送機等設備的協(xié)調(diào)聯(lián)動和遠程集中控制[11-13]。智能調(diào)速：結(jié)合采煤工藝，以輸送系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩為基本參數(shù)，綜合應用采煤機位置、運動方向、運動速度等數(shù)據(jù)，根據(jù)輸送系統(tǒng)負荷狀況，實現(xiàn)了自動分級調(diào)整采煤機速度的節(jié)能控制模式、自動分級調(diào)整輸送系統(tǒng)運行速度的安全控制模式，達到了智能控制的目的，減少了部件磨損，提高了使用壽命，節(jié)能效果顯著，提高了系統(tǒng)綜合能效。高精度功率平衡：基于DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和主從控制模式，采用光纖通訊，實現(xiàn)多電機轉(zhuǎn)矩及功率的動態(tài)平衡，主從機功率平衡度小于1.5%，平衡反應速度小于10μs。斷鏈保護：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的大小及變化率，自動判斷是否發(fā)生過載或鏈條卡阻情況，防止發(fā)生斷鏈故障。斷鏈后，自動控制電機停機，防止由繼續(xù)拖動鏈條等導致事故擴大。低速滿扭矩運行控制：在基頻50Hz以下調(diào)速時，實現(xiàn)低速滿轉(zhuǎn)矩運行，提高了重載啟動性能，配合緊鏈裝置，實現(xiàn)了可靠緊鏈操作；整機可以長時間低速運行，實現(xiàn)了“不停機檢修”操作。

交流異步電動機運行過程中會占用大量無功功率，刮板輸送系統(tǒng)運行過程中不均衡、中輕載時間占比較大，異步電機功率因數(shù)、低效率特性表現(xiàn)尤為突出。目前，出現(xiàn)了采用永磁同步電機+變頻器的驅(qū)動方式，可以全面提供功率因數(shù)和效率，有效降低能耗。在轉(zhuǎn)速或負載下降的情況下，由于永磁同步電動機的高效區(qū)間寬，可以始終在相對高效區(qū)間工作；而異步電動機效率和功率因數(shù)則有大幅度下降。在負載突然增大情況下，永磁同步電機基本保持轉(zhuǎn)速不變，異步電動機轉(zhuǎn)速會有明顯波動。

1.2 中部槽技術(shù)

中部槽是刮板輸送機中消耗量最大的核心部件，其是刮板導向的軌道和煤炭運輸?shù)妮d體，承受著采煤機牽引力和截割反力、液壓支架的推溜力和拉架力、刮板和鏈條以及槽中煤炭的摩擦力等，運行工況特別惡劣，其結(jié)構(gòu)的合理性、質(zhì)量的穩(wěn)定性直接影響著刮板輸送機整機壽命和可靠性以及煤炭生產(chǎn)的安全性。目前市場在用中部槽有鑄焊式、軋焊式和整鑄式。

整體鑄焊結(jié)構(gòu)的中部槽結(jié)構(gòu)工藝簡單、成本低，是目前最常用的一種型式。采用鑄造而成的槽幫和中底板焊接而成，槽幫為ZG30SiMn材質(zhì)的鑄造件，中底板為瑞典薩博HARDOX系列、日本JFE的EH系列或舞陽鋼鐵的NM400系列高強度耐磨鋼板材。槽幫和中底板的材質(zhì)不相同，屬于異種鋼的焊接，焊縫焊接質(zhì)量決定了中部槽的使用壽命和刮板輸送機的可靠性。

軋焊式中部槽由軋制槽幫、鍛造端頭及鋼板焊接而成，中板分兩層，上層中板可使用更加耐磨的材料，組焊件數(shù)量多，焊接工藝復雜。整鑄式基于真空泡沫消失模鑄造工藝，采用高耐磨性、高強度、特種配方的合金以及熱處理技術(shù)研制而成，它徹底克服了鑄焊中部槽中底板容易與槽幫脫焊、開裂及耐磨性不一致等質(zhì)量缺陷；抗拉強度達到鑄焊中部槽的1.7～2.0倍，耐磨性為NM400耐磨板1.6倍以上，使用壽命是同型號鑄焊中部槽的2～3倍，使用過程中免維護。

1.3 圓環(huán)鏈技術(shù)

鏈條是刮板輸送機最薄弱的環(huán)節(jié)。鏈條承受頻繁交變應力，承受片幫、重載等瞬間重載沖擊，承受溜槽、鏈輪、煤和矸石的磨損，在中部槽接口等過渡位置存在刮卡，受到礦物質(zhì)腐蝕。鏈條包含的鏈環(huán)數(shù)量大，故障點多，每臺刮板機的鏈環(huán)數(shù)量達到數(shù)千個，任何一個鏈環(huán)斷裂都會造成停機事故，且刮板鏈的故障隱患難以發(fā)現(xiàn)，故障處理困難，耗時長，對生產(chǎn)影響大。因此，鏈條的強度直接關系到整機的可靠性。

圓環(huán)鏈的可靠性與壽命取決于強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等綜合指標，過高的強度所造成的韌性降低、應力腐蝕加劇，會造成鏈條早期的脆性斷裂，降低鏈條運行的可靠性。為提高強度，早期供貨的48mm×152mm鏈條破斷負荷達到3550kN，使用過程中，脆性斷裂頻繁，后分別降低到3290kN、3150kN，仍存在問題，目前，通常供貨的破斷負荷為2900kN，強度降低，但實際運行的可靠性提高。為獲得更高的強度，大規(guī)格鏈條由最初的標準型圓環(huán)鏈、緊湊型圓環(huán)鏈，逐步發(fā)展到最近的寬帶鏈和超寬帶鏈。寬帶鏈的優(yōu)勢：立環(huán)高度不變，寬度增加，端面面積增大，強度提高；比如：可以將?38mm鏈條升級為?42mm、?42mm鏈條升級為?48mm、?48mm鏈條升級為?52mm?，F(xiàn)有的中部槽可以采用更高強度級別的圓環(huán)鏈，可以增加裝機功率，以提高刮板輸送機的運量和鋪設長度，實現(xiàn)產(chǎn)品升級，提高運行可靠性。另外，礦井地下水腐蝕性特別強時，鏈條會發(fā)生腐蝕坑和疲勞裂縫，防腐礦用鏈條幾乎完全不受腐蝕的影響，減少了鏈條的早期失效。

1.4 伸縮機尾技術(shù)

由綜采工作面開采工藝決定，工作面刮板輸送機的負荷是隨時變化的，刮板鏈的張力亦隨負荷隨時變化。恒定的刮板鏈預張緊力不能保證刮板鏈隨時處于適度張緊工作狀態(tài)。在大功率、大運量、長運距刮板輸送機中，伸縮機尾已成為標配，伸縮機尾技術(shù)的應用，有效地改善了鏈條、鏈輪的受力狀況，減輕刮板和輸送機中部槽的磨損，延長了輸送機的使用壽命。

自動伸縮機尾一般由四個主要部分組成，包括固定機尾架、活動機尾架、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。固定機尾架和活動機尾架由液壓系統(tǒng)的液壓缸相聯(lián)接，在機尾架及液壓缸上安裝有壓力傳感器及位移傳感器，電器控制系統(tǒng)根據(jù)有關傳感器提供的信號對伸縮機尾架及刮板鏈的張緊程度及機尾架的當時的工作位置進行調(diào)整。一般通過檢測伸縮油缸的壓力間接檢測鏈條松緊程度，工作方式如下：根據(jù)設備運行狀況，設定空載和滿載情況下油缸壓力數(shù)值，并經(jīng)常性跟蹤修正；根據(jù)電機電流和采煤機位置等綜合因素，確定機尾油缸壓力調(diào)節(jié)的具體目標值。通過電控系統(tǒng)，向液壓系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)油缸壓力數(shù)值，使其與設定的目標值接近，進行緊鏈或松鏈操作，及時對刮板鏈的張緊力進行調(diào)整，使刮板鏈的張力一直處于設定的正常工作范圍內(nèi)。

1.5 動力學分析及控制技術(shù)

目前國內(nèi)刮板輸送機的設計依據(jù)經(jīng)驗公式和靜力學計算，該方法的前提是系統(tǒng)運行工況穩(wěn)定。刮板輸送系統(tǒng)啟制動及運行過程往往載荷不均勻，甚至載荷突變，因此，研究人員開展了動力學分析研究。通過對電動機、液力耦合器、減速器、刮板鏈條傳動等各元部件建立數(shù)學模型，進而建立整機動力學模型，然后利用MATLAB求取動力學模型數(shù)值解，分析滿載情況下關鍵位置鏈條張力、速度以及電機輸出轉(zhuǎn)矩隨時間的變化規(guī)律。針對刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)，基于有限元理論建立其數(shù)學模型，數(shù)值仿真研究為在卡鏈故障載荷下、不同卡鏈故障發(fā)生點時的鏈條速度-時間變化規(guī)律以及鏈條張力-時間變化規(guī)律。通過對啟過程進行動力學特性分析，研究刮板輸送機控制策略，提出反S型啟動速度控制曲線。通過有限元仿真分析鏈條及鏈輪的關鍵尺寸變化對嚙合過程的影響，及鏈條嚙過鏈輪時的應力、應變分布來優(yōu)化鏈條及鏈輪的設計，降低傳動過程的磨損，提高使用壽命。

1.6 運行工況在線監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)

基于傳感、微處理器、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和計算機等技術(shù)，目前已建成從工作面→工作巷→地面的工作面輸送設備集中監(jiān)控系統(tǒng)，初步形成了相對完善的工況數(shù)據(jù)庫，在線監(jiān)測、集中顯示刮板輸送系統(tǒng)運行工況參數(shù)以及超限報警，包括：減速器的輸出軸軸承溫度、輸入軸軸承溫度、油箱潤滑油溫度、油箱潤滑油液位，冷卻水路進口壓力、出口壓力、流量，每個電機三相繞組電壓、繞組電流、繞組溫度，每個電機軸頭軸承溫度、軸尾軸承溫度、液壓缸無桿腔液體壓力、液壓缸伸縮位置(1路)、液壓缸伸縮限位，液壓馬達轉(zhuǎn)速、液壓馬達液體進口壓力，鏈輪軸承溫度，電機到鏈輪某一處轉(zhuǎn)速等。

2 發(fā)展趨勢及關鍵技術(shù)

為了保障煤炭開采安全性、開采效率和產(chǎn)量，千萬噸級礦井已成為大型煤炭集團重點開發(fā)模式。目前國內(nèi)已自主研發(fā)出系列化重型、超重型刮板輸送機成套裝備，保障了千萬噸級礦井主煤流穩(wěn)定運輸。但是，在向大型化發(fā)展的同時，高可靠性、高度智能化將成為重型刮板輸送機的發(fā)展趨勢；核心元部件及新材料，設備監(jiān)測、控制、故障診斷及預知性維護，配套測試試驗平臺等相關關鍵技術(shù)仍有待攻克。

2.1 核心元部件及新材料

國內(nèi)不少廠家研制了系列化的一體變頻電機、分體變頻中心，但機芯仍依賴進口；刮板輸送機刮板和鏈條重量大，與中部槽摩擦力大，空載功耗大，研發(fā)低摩擦系數(shù)、輕量化、高強度高耐磨的新材料或降阻技術(shù)，應用于刮板輸送機中部槽、刮板、鏈條、伸縮機尾等存在相對運動的部件，既可降低整機功耗，又可減輕整機重量；國產(chǎn)中部槽過煤量相同時磨損較國外的更嚴重，槽幫中板、底板的焊縫更容易開裂，需研制高強度級別槽幫、中板和底板，研發(fā)高強韌性低氫焊絲，創(chuàng)新焊接工藝，采用機器人化焊接方式，進一步提高中部槽性能；相對刮板輸送系統(tǒng)的機械液壓系統(tǒng)，其工況監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸單元與等部件的可靠性、穩(wěn)定性不高，煤礦機電裝備對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比準確性要求更高，因此需研發(fā)軍用級的傳感器、抗電磁干擾能力強的數(shù)據(jù)采集與傳輸單元等。

2.2 設備監(jiān)測、控制、故障診斷及預知性維護

目前已建成從工作面→工作面巷道→地面的刮板輸送設備集中監(jiān)控系統(tǒng)，形成了溫度、壓力、流量等工況數(shù)據(jù)庫，但缺少振動、潤滑油污染度、鏈條故障等工況參數(shù)，進而形成全面完善的數(shù)據(jù)庫；需研發(fā)油夜污染度傳感器、非接觸式鏈條故障傳感器等。目前設備智能化程度不深，僅僅實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)展示，缺少對海量數(shù)據(jù)的挖掘分析，給出有用的決策建議，指導設備管理；因此需研發(fā)設備健康管理系統(tǒng)，研究健康評價、典型故障數(shù)據(jù)庫、故障診斷與預測等技術(shù)，建立遠程云服務平臺，將用戶、廠家和行業(yè)專家納入平臺，實現(xiàn)設計、生產(chǎn)、運行、維修、回收再利用全生命周期的設備管理。

在控制方面，基于油缸壓力的自動伸縮機尾在實際中應用效果不佳，因為油缸壓力無法直接反應鏈條張力，且壓力控制范圍無法合理確定；研發(fā)鏈條張力技術(shù)，與推薦預張緊力直接比較，控制活動機尾的動作，實現(xiàn)鏈條張力自動控制；通過對鏈條受力狀況的測量與記錄，預期判斷鏈條疲勞壽命，及時更換鏈條，避免停機事故發(fā)生；受限于無法直接測得刮板輸送系統(tǒng)的煤量情況，一般是依據(jù)電機電流大小間接感知負載實現(xiàn)調(diào)速等控制，研制大扭矩傳感器，直接感知負載大小，根據(jù)電機輸出軸轉(zhuǎn)矩控制刮板輸送系統(tǒng)運行。此外，需加強動力學分析與控制方法研究與應用，指導刮板輸送系統(tǒng)的設計與運行控制。

2.3 測試試驗平臺

高端刮板輸送成套裝備尚未實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，核心部件可靠性不高，部分元件依賴進口，整機使用壽命遠低于國外同類產(chǎn)品。盡快扭轉(zhuǎn)這種被動局面是當前刮板輸送機制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重大課題，必須對關鍵元部件進行深入研究，而深入開展研發(fā)工作需要測試試驗平臺的支撐，可從綜采工作面成套裝備綜合測試、單機等單機性能檢測、關鍵部件性能試驗等專業(yè)平臺建設入手，建立校企聯(lián)合的國家、省部、行業(yè)等級別的實驗室，元部件的理論研究與測試試驗支持，避免片面追求工程應用，從根本上解決目前我國產(chǎn)品可靠性和壽命低的共性問題，盡快扭轉(zhuǎn)高端裝備及關鍵部件依賴進口的被動局面。

3 結(jié) 語

煤炭少人、無人化開采離不開高可靠性、高智能化的煤機裝備。作為綜采工作面三機之一，刮板輸送機正向高可靠性、高智能化的方向發(fā)展，需要聯(lián)合政府、煤礦生產(chǎn)企業(yè)、煤機制造企業(yè)、科研院所和高校，開展政、產(chǎn)、學、研、用五位一體式的通力合作，走堅持自主研發(fā)、創(chuàng)新的道路，提升核心競爭力，推動我國煤炭安全高效智能化開采水平再上一個臺階，為促進煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級作出新的貢獻。