井工刮板輸送設(shè)備智能制造的現(xiàn)狀與未來

王 盼，蘇 醒，馮景浦

（1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川75000；2.煤礦綜采輸送設(shè)備智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

在如今智能時(shí)代的大背景下，煤礦智能化建設(shè)已在行業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)識并接受。2016 年，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)“能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030 年）”，指出2030 年要實(shí)現(xiàn)煤礦智能化開采，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化。2020 年，國家發(fā)改委、能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)“關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見”，指出加快煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量發(fā)展的推進(jìn)步伐[1]。2020 年，全國煤礦安全生產(chǎn)工作會(huì)議給出的煤礦開采機(jī)械化程度已由2010 年的65%提升至2019 年底的78.5%。由此分析，在需求側(cè)和供給側(cè)雙管齊下的情況下，智能化勢必是煤機(jī)發(fā)展的新階段，智能制造則是高質(zhì)量、高可靠、高端的智能化煤機(jī)產(chǎn)品基礎(chǔ)保障。我國作為世界最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，煤機(jī)裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，煤機(jī)裝備生產(chǎn)總量和整體技術(shù)已達(dá)到世界前列。然而，我國煤機(jī)裝備中低端產(chǎn)品過剩，高端高可靠產(chǎn)品緊缺，核心競爭力與創(chuàng)新能力不足。尤其是井工刮板輸送設(shè)備的制造，一直存在“大，老，粗”的問題，自動(dòng)化、集成化、智能化水平低，急需改進(jìn)。在“中國制造2025”的戰(zhàn)略背景下，井工刮板輸送設(shè)備的制造需要在產(chǎn)品可靠性、自動(dòng)化、智能化等方面不斷創(chuàng)新，以智能制造助推井工刮板輸送設(shè)備智能化發(fā)展。

1 井工刮板輸送設(shè)備智能制造的現(xiàn)狀

1.1 井工刮板輸送設(shè)備簡介

井工刮板輸送設(shè)備包括刮板輸送機(jī)、刮板轉(zhuǎn)載機(jī)等。主要是在井工煤礦開采工作面，利用中部槽作為煤炭的運(yùn)輸通道，將刮板固定在鏈條上（組成刮板鏈），作為牽引機(jī)構(gòu)。當(dāng)動(dòng)力部電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)限矩器、減速器傳遞給鏈輪軸組，從而牽引刮板鏈運(yùn)動(dòng)，組成一個(gè)封閉的牽引系統(tǒng)，按從機(jī)尾向機(jī)頭的運(yùn)行方向?qū)⒚禾枯斔统雒禾块_采工作面。

1.2 井工刮板輸送設(shè)備主要零部件及構(gòu)成

如圖1 所示，刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、動(dòng)力部、過渡段、中部槽、偏轉(zhuǎn)槽、電纜槽、刮板鏈等組成。主要功能是運(yùn)輸煤炭，作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，為拉移液壓支架做固定支點(diǎn)，清理工作面浮煤，懸掛電纜、水管、乳化液管路等。

圖1 刮板輸送機(jī)組成示意

刮板轉(zhuǎn)載機(jī)主要由伸縮機(jī)頭、動(dòng)力部、懸空段中部槽、破碎機(jī)、落地段中部槽、刮板鏈、機(jī)尾等組成。主要用于高產(chǎn)、高效綜合機(jī)械化工作面順槽轉(zhuǎn)載輸送煤炭，使用時(shí)將轉(zhuǎn)載機(jī)頭搭接在皮帶機(jī)上作整體運(yùn)動(dòng)。

1.3 井工刮板輸送設(shè)備智能制造的現(xiàn)狀

當(dāng)前井工刮板輸送設(shè)備制造主要表現(xiàn)為“大、老、粗”的特點(diǎn)，產(chǎn)品本身及加工設(shè)備體積、質(zhì)量、規(guī)模較大，生產(chǎn)模式比較低端、粗放，大部分還處在機(jī)械化或半自動(dòng)化水平。整體制造水平不高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，與國外自動(dòng)化、高端化、智能化制造過程相比，還存在較大差距。更具體的表現(xiàn)為：

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新方法不完善，基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究薄弱；

（2）生產(chǎn)制造工藝存在短板，高端加工制造能力欠缺，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；

（3）缺乏系統(tǒng)完善的工業(yè)設(shè)計(jì)，外觀與質(zhì)量沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一；

（4）產(chǎn)品生產(chǎn)加工集中化、規(guī)模化程度低，生產(chǎn)管理理念陳舊；

（5）智能制造工藝、工裝和人才隊(duì)伍缺乏；

（6）市場秩序不健全，不合理的市場競爭招標(biāo)規(guī)則，造成價(jià)格混戰(zhàn)，質(zhì)量水平下滑[2]。

例如在井工刮板輸送設(shè)備產(chǎn)制造過程中，當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃需線下人工編排，信息準(zhǔn)確性、及時(shí)性不強(qiáng)，無法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場人員、設(shè)備的負(fù)荷情況；各業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署分散，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被分散在各個(gè)信息系統(tǒng)中分別管理，無法相互共享、引用；生產(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)過程缺乏聯(lián)動(dòng)制約機(jī)制；刮板輸送設(shè)備大型、重型、復(fù)雜零部件多，實(shí)施智能制造難度大等。

2 提高井工刮板輸送設(shè)備智能制造的水平：向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展

自“中國制造2025”發(fā)布以來，國內(nèi)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，保持了較高的增速，2017 年智能制造產(chǎn)業(yè)突破萬億大關(guān)，逐步完善和搭建中國智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，見圖2。政府方面，以“中國制造2025”為綱領(lǐng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，開展示范和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。企業(yè)方面，加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)型升級，制造過程向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，制造能力向精準(zhǔn)、敏捷方向提高[3]。

圖2 中國智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

中國制造在過去的幾十年里，緊跟世界步伐“奔向”了世界各地，如今我國的制造業(yè)體系完整、門類齊全，規(guī)模位列世界第一，在中低端制造業(yè)領(lǐng)域有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。但是依舊沒有徹底擺脫“低端”“缺芯”和“無腦”的刻板印象，形成這種局面歸因于效率、效能有待提高；我國的制造業(yè)在先進(jìn)制造和高端制造領(lǐng)域，整體上還處在全球產(chǎn)業(yè)鏈的中下端，核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件受制于人；我國制造業(yè)的品質(zhì)和品牌層次比較低。尤其是在過去幾年全球疫情和貿(mào)易摩擦加劇，制造業(yè)回流的背景下，制造業(yè)所面對的形式更加嚴(yán)峻，不容樂觀。制造業(yè)需要加快從“中國制造”向“中國智造”的轉(zhuǎn)變，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)型升級，以求突破。

智能制造的發(fā)展不僅僅是說制造和管理制造本身，而是產(chǎn)品的全生命周期管控。從某種角度來說，智能制造是一個(gè)處于持續(xù)演進(jìn)狀態(tài)的大系統(tǒng)，見圖3。隨著智能化時(shí)代到來，新一代技術(shù)將會(huì)源源不斷向制造業(yè)滲入，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、過程管控和銷售服務(wù)過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，進(jìn)而提升井工刮板輸送設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量、效益和服務(wù)水平。

圖3 井工刮板輸送設(shè)備智能制造體系架構(gòu)

2.1 大型刮板輸送機(jī)中部槽智能化焊接生產(chǎn)線

運(yùn)用激光焊接、激光測距、位移傳感、電液伺服等先進(jìn)的智能控制技術(shù)，由9 個(gè)生產(chǎn)工位、7 臺(tái)焊接機(jī)器人組成的大型刮板輸送機(jī)中部槽智能化焊接生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)大型刮板輸送機(jī)中部槽組裝焊接智能化、制造流程自動(dòng)化、現(xiàn)場檢測實(shí)時(shí)化和車間生產(chǎn)管理信息化，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤機(jī)裝備智能化生產(chǎn)制造的核心技術(shù)。

2.2 高度互聯(lián)的柔性生產(chǎn)線

桁架機(jī)器人銷軸柔性生產(chǎn)線采用數(shù)控銑打機(jī)、數(shù)控車銑復(fù)合加工中心、桁架機(jī)器人等集成加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次上料完成車、銑、鉆、攻絲等多工序的完全自動(dòng)化生產(chǎn)及同系列產(chǎn)品并線柔性生產(chǎn)。通過多自由度程序運(yùn)行的高可靠性、高速度、高精度夾持定位工具系統(tǒng)，有效改變傳統(tǒng)的物流方式、改善作業(yè)環(huán)境，提供零件加工的數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化，生產(chǎn)效率提高32%，運(yùn)行成本降低52%。

2.3 基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能智能工廠建設(shè)

全面推進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能刮板輸送設(shè)備智能車間建設(shè)應(yīng)用[4]。利用中國移動(dòng)第五代通信技術(shù)提供大帶寬、低時(shí)延無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全廠區(qū)，建立一個(gè)高效的數(shù)據(jù)管理體系和透明的異常信息的處理機(jī)制。實(shí)現(xiàn)研發(fā)、設(shè)計(jì)、工藝和制造等環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)，不斷優(yōu)化產(chǎn)品體系和技術(shù)路線，提升刮板輸送設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品零部件標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊通用化。

2.4 產(chǎn)品全生命周期管理和智能服務(wù)

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展不單指科技創(chuàng)新，服務(wù)模式也需緊隨時(shí)代潮流創(chuàng)新發(fā)展。通過產(chǎn)品全生命周期管理、故障在線實(shí)時(shí)診斷、智能服務(wù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維等創(chuàng)新型服務(wù)模式應(yīng)用，企業(yè)向客戶提供解決方案和服務(wù)時(shí)可以發(fā)揮更強(qiáng)的主觀能動(dòng)性，不斷提升刮板輸送設(shè)備智能制造水平，助力智能制造轉(zhuǎn)型升級。

3 井工刮板輸送設(shè)備智能制造的未來：關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工業(yè)云計(jì)算技術(shù)

工業(yè)云計(jì)算技術(shù)包含工業(yè)云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)。企業(yè)不需要花費(fèi)巨額的人力和財(cái)力來搭建企業(yè)IT 系統(tǒng)，云上的資源可以輕易擴(kuò)張和縮減，其優(yōu)良的彈性可以讓企業(yè)制定各品類解決方案，在瞬息萬變的市場行情下快速實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解。利用云提供商的各類服務(wù)，可以提高數(shù)據(jù)的利用率，從而更高效的處理數(shù)據(jù)，比如調(diào)取足夠的GPU 資源來實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法或其他人工智能算法。利用大一統(tǒng)的云平臺(tái)，可以集成所有地區(qū)的數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，提供的數(shù)據(jù)服務(wù)也可以利用開放接口直接提供給全球客戶，真正實(shí)現(xiàn)智能化、智慧化服務(wù)[5]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，就是把物品的信息通過傳感器和通訊技術(shù)連接到一起，形成一個(gè)物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的技術(shù)[6]。工業(yè)領(lǐng)域一直是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的主要場景，物聯(lián)網(wǎng)的核心是傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，傳感器將溫濕度、設(shè)備振動(dòng)、光照、位置偏移等物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，是最重要的工業(yè)數(shù)據(jù)來源；通信技術(shù)之前受限于無線通信的穩(wěn)定性和傳輸速率，很多對實(shí)時(shí)性有要求的工業(yè)智能服務(wù)只能停留在示范或原型階段，現(xiàn)在5G 通信技術(shù)的來臨使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為智能工廠中不可或缺的一部分。

3.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生，也叫數(shù)字化雙胞胎，是充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程[7]。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以將產(chǎn)品模型數(shù)字化，對其進(jìn)行仿真測試和技術(shù)驗(yàn)證，以極低的人力成本在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的樣機(jī)，縮短產(chǎn)品開發(fā)及試制周期；可以將生產(chǎn)流程數(shù)字化，結(jié)合運(yùn)籌學(xué)理論調(diào)試并優(yōu)化虛擬產(chǎn)線模型，從而提升工廠生產(chǎn)效率，發(fā)揮隱藏的產(chǎn)能潛力；可以將生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)字化，在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)線往往會(huì)因?yàn)樵O(shè)備老化，工人操作不規(guī)范等問題造成意外停機(jī)，從而引發(fā)重大經(jīng)濟(jì)損失，而生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化則能實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常信號時(shí)能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)給出最有可能的故障原因分析并給出維保建議，能極大縮短維修時(shí)間，提升設(shè)備綜合效率[8]。

4 結(jié)語

新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已興起，全球工業(yè)技術(shù)體系、發(fā)展模式和競爭格局迎來重大變革。新一代智能制造已成為世界性的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。在這一形勢下，我國發(fā)布的“中國制造2015”規(guī)劃綱要，為我國智能制造的發(fā)展提供了解決思路與發(fā)展方向。我國井工刮板輸送設(shè)備智能制造改造與發(fā)展已邁出堅(jiān)實(shí)的第一步，但是由于其基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠合理，發(fā)展的各項(xiàng)指標(biāo)不夠均衡，從技術(shù)、人才、資金方面決定了其智能制造水平還處于初級發(fā)展階段。井工刮板輸送設(shè)備智能制造發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)以創(chuàng)新為引領(lǐng)，抓住關(guān)鍵技術(shù)，不斷推進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造，從而達(dá)到融合發(fā)展，打造中國自己的高端品牌，使我國進(jìn)入制造強(qiáng)國行列。