采煤機技術創新發展分析
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摘要：回顧了我國采煤機技術的發展歷程，闡述了我國采煤機關鍵技術的現狀，并與國外先進采煤機技術對比，分析了與國際先進采煤機技術的差距，指出我國采煤機技術未來發展方向應為高效高適應性總體設計關鍵技術、可靠性技術、關鍵零部件材料與熱處理工藝開發、先進制造技術、智能化控制技術等。
引言
采煤機是煤礦井工綜合機械化開采的關鍵設備。我國采煤機技術始于20世紀60年代初期，歷經引進仿制到自主開發階段。經過近60a的積累、沉淀與發展，我國采煤機技術取得了一系列研究成果，從無底托架、多電機橫向布置整體布置，到具有高強度搖臂、高速行走系統等高可靠性部件及完善智慧化的電控等特點的系列化產品，適用一次采全高范圍由0.8m的極薄煤層到9m的特厚煤層。我國采煤機技術在一些領域內已達到了國際先進甚至國家領先水平。
1我國采煤機技術現狀
處在工業4.0的新技術變革期，近年來電牽引采煤機技術取得重大發展，小松JOY、德國Eick-hoff、上海天地等具有行業領先技術的公司紛紛推出了新一代綜采設備。當前采煤機技術的特點：（1）功率密度越來越大，牽引速度越來越快當前礦井向高產高效、集約化生產發展，采煤機對工作面地質條件的適應性、產品本身可靠性、可使用率等方面要求越來越高，相應的整機功率密度和截割功率密度越來越大，以適應高產及硬煤、矸石和強過斷層以及開解放層的生產需要。為了滿足高效快速截割的需求，要求采煤機行走系統具有牽引力大、牽引速度快、整體可靠性高等特點。目前國內機組單搖臂最大截割功率達到1250kW，單牽引功率達到250kW，最大工作牽引速度達到17.5m/min，調動牽引速度達到35m/min。薄煤層采煤機在機面高度小于750mm的情形下，截割功率已達到450kW，總裝機功率1050kW；機面高度小于900mm的情形下，截割功率已達到500kW，總裝機功率1200kW。適于特厚煤層開采的超大型采煤機也已成功應用，最大一次采全高9.0m。該種機型的成功研制，提高了資源回采率，標志著我國采煤機技術在國際上達到了新的高度，推動了整個煤炭工業技術的發展。（2）高速高可靠的大節距行走系統齒輪-強力銷軌結構牽引方式具有適應性強、可靠性高、壽命長等特點，能滿足采煤機裝機功率、牽引力和牽引速度的增大對其行走系統可靠性的要求。采用速度快、強度高的齒輪-銷軌結構行走系統是現代綜采技術發展的必然選擇。目前銷軌節距已從126mm發展到147mm、151mm。最新推出節距為172mm、176mm大節距強力銷軌，相應采煤機的牽引力從60t級提高到100t級、150t級，采煤機行走系統的可靠性和使用壽命大大提高。天地科技股份有限公司上海分公司于2018年成功開發了凹凸齒形無鏈牽引行走系統，該技術通過對齒形、材料與工藝優化以及表面強化和大深層滲碳技術，實現行走系統使用壽命不低于120d或過煤量大于4Mt。（3）高強度搖臂殼體為滿足高強度、高頻沖擊性負載的搖臂工況需要，要求搖臂殼體具有較好的綜合機械性能，即在具有較高抗壓強度、屈服強度、硬度的同時，還具有較好的塑性、韌性。國內現有搖臂殼體用材ZG25MnNi、ZG270-500在煤礦上的實際使用情況表明，由于這2種材料強度和硬度都比較低，對高強度采煤和惡劣的工況條件越來越不適應，在使用時間不久后搖臂殼體易發生變形、拉裂等質量問題，嚴重制約了設備可靠性和生產效率的提高。天地科技股份有限公司上海分公司通過對采煤機殼體材料、鑄造工藝、殼體后續熱處理方法和加工方法等方面多年的深入研究，于2015年研制出CrNiMo系新材料，形成了整套的生產、加工工藝。
新研制的搖臂殼體硬度大于HB200，抗拉強度大于700MPa，屈服強度不小于550MPa，伸長率不小于17%，收縮率不小于35%，沖擊功AkV≥40J，使采煤機搖臂殼體綜合機械強度大幅提高，基本達到國際先進水平。（4）完善的電控保護功能與自動化控制系統當前采煤機電控系統具有較全面的保護和監測功能，如瓦斯超標斷電保護、與輸送機之間的電氣閉鎖、溫度監測和熱保護、功率監測和恒功率自動控制及過載保護漏電閉鎖。采煤機具有故障自診斷專家系統，具有參數記憶功能，有助于分析查找系統故障原因，能自動跟蹤記錄系統參數異常以及出現可保護性故障時采煤機的工作參數，便于分析和處理。隨著信息工業化的發展，采煤機自動化控制技術逐步發展，現已實現了采煤機和工作面配套設備間的通信，基本實現綜采工作面的信息傳輸、交互和地面遠程控制，滿足了自動化開采需求。采煤機自動化控制系統能夠實現采煤機工作在記憶截割學習模式、自動重復操作模式、在線學習（修改）模式以及采煤機與順槽集控中心數據的實時雙向通信。（5）負載敏感技術成功在采煤機上應用負載敏感比例閥具有速度負載特性好、通流量不受負載變化的影響、泵流量足夠、執行復合動作時各執行器互不干擾的特點，在采煤機上應用可實現采煤機調高系統的電氣-液壓控制，實現滾筒位置的連續控制和精準調節。（6）虹膜識別技術天地科技股份有限公司上海分公司于2019年基于虹膜技術開發出的礦用本安型虹膜采集/識別一體裝置，成功將虹膜識別技術應用到采煤機開機安全控制上。該技術可以準確識別采煤機操作人員級別，并有針對性的開放其權限，包括采煤機啟動、以及各級電機上電啟動權限、參數訪問權限、操作提示等。（7）LASC系統智能化應用LASC系統采用高精度慣性陀螺儀導航技術測量采煤機在井下三維空間的坐標位置；LASC技術可以建立精確的煤田3D軌跡模型，實現自動找直功能保持長壁工作面的直線度。天地科技股份有限公司上海分公司于2015年將LASC綜采自動化技術從澳大利亞聯邦科學及工業研究組織（CSIRO）引進到國內，并與2016年成功在兗州煤業轉龍灣礦示范應用。首次在國產采煤機上實現了高精度的三維空間定位和運行軌跡的檢測，在實際工況條件下達到了300m長工作面小于10cm的定位測量精度，實現軌跡檢測對工作面液壓支架和刮板輸送機自動對齊找直的技術支持。
2國內外采煤機技術差距
目前，在高端采煤機領域雖然從技術參數上看，國產裝備與國際先進采煤機相比總體參數接近，產品裝機功率、開采范圍、地質條件適應性等甚至超過國外，但在產品可靠性方面仍存在較大差距。產品可使用率普遍低于90%，整機及關鍵零部件使用壽命明顯低于國外同類水平。主要表現在：（1）整機及關鍵零部件可靠性技術差距受限于民族基礎工業的現狀，致使我國在基礎材料、機加工、熱處理等方面和歐美等發達國家有較大差距。這些現實問題造成了我國采煤機整機及關鍵零部件等產品在使用中可使用率和可靠性偏低。如整機壽命國產機組過煤量一般在1300萬t，國外先進采煤機整機壽命過煤量一般達到2000萬t；傳動系統齒輪壽命1萬h，大約是國外先進采煤機壽命的50%；電氣控制系統、控制模塊抗振性能不夠，整體可靠性較國外先進采煤機具有較大差距。（2）生產技術差距較大在生產制造中，雖然部分企業已配置進口磨齒機、熱處理爐等先進設備，但是采煤機殼體等基本還是用普通加工設備來完成，加工精度難以保證。在裝配過程中，裝配工藝落后、裝配工具不完善，長期處于裝而不配，設計配合精度難以達到最優化。（3）基于地理信息系統（GIS）的采煤機定位定姿技術國內不少院校、科研院所和企業都在研究基于地理信息系統（GIS）的采煤機定位定姿技術，也取得了一定的成績。如中國礦業大學研制的地理信息系統于2015年成功應用于山西某煤礦18201工作面，并取得了不錯的效果。但較澳大利亞、美國等國際先進技術，慣性陀螺儀的定位誤差還比較大，比如同樣的300m工作面，澳大利亞聯邦科學及工業研究組織精度誤差可以控制在10cm以內，而我國技術在50cm以上。（4）采煤機碰撞干涉預警技術天地科技股份有限公司上海分公司于2019年率先在采煤機搖臂截割干涉預警技術方面做了探索與嘗試。采用60GHz工業級毫米波雷達傳感器，用于采煤機在截割煤過程中檢測采煤機左右截割滾筒與工作面支架的干涉情況。較國外先進技術，識別度和可使用率還有一定差距。加強采煤機核心技術的研究，縮小和國外先進水平的差距，是擺在國內煤研人面前的重要任務，也是我國采煤機趕超世界先進水平的前提條件。
3我國采煤機技術發展方向
（1）高效高適應性總體設計關鍵技術我國煤炭資源分布廣泛，煤炭資源的賦存條件、煤質特性等差異顯著，不同煤層厚度煤炭資源的開采都有各自特定的復雜要求。尤其是隨著易采煤層的減少，大傾角、急傾斜、薄煤層、斷層與解放層開采、特厚煤層一次采全高等復雜煤層開采所占比重日益增加，且隨著煤炭開采向中西部轉移，地質條件更趨多樣化和復雜化，對煤機裝備在薄煤層、特厚煤層等特定工況下的安全性、適應性及效能發揮等提出嚴重考驗，亟需在總體結構設計與相關關鍵技術、機電液深度融合等方面取得突破，開發高適應性難采煤層高效自動化綜采成套技術與裝備、高適應性快速掘進技術與裝備，以滿足煤礦安全高效綠色智能開采要求。（2）整機及關鍵零部件可靠性技術開展高功率密度整機技術研究、長壽命截割機構研發、關鍵零部件材料與熱處理工藝開發、先進制造技術應用、專用高可靠性變頻器關鍵技術、高能效液壓動力技術研究等是今后提高整體可靠性技術的發展方向。（3）智能控制關鍵技術回采工作面綜采智能控制技術與裝備水平大幅提高，以“兩化”深度融合為著力點，建成了以神東錦界煤礦、黃陵一號煤礦等條件較好的工作面為代表的百余個智能化工作面，并取得較好示范效果。但由于煤層賦存及開采地質條件的復雜性，在大多數普通條件的工作面，自動跟機移架、自動截割三角煤、記憶截割等功能應用效果不佳，煤巖識別、精確推溜等智能化技術仍停留在技術研發階段。圍繞全面感知、智能決策與安全可靠執行，發展煤巖界面自動識別與自動調高技術、裝備自主精確定位和工作面自動取值技術、機器視覺、觸覺技術、液壓支架集群控制技術及電液控制技術、綜采工作面通信控制技術等是今后技術發展方向。
4結語
我國采煤機技術經過60余a的發展，取得了顯著的成果，形成了完備的技術體系，研制出了適應不同地質條件的系列化產品。但是與國際先進水平相比，目前我國采煤機整體技術還有差距，特別是在整機及關鍵零部件的可靠性、智能化控制、故障自診斷等方面尤為突出。未來采煤機技術要加強傳動系統精準設計、高強度材料和熱處理工藝、多信息融合的智能開采等方面創新和研究。
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作者：徐衛鵬 單位：天地科技股份有限公司上海分公司