煤矿采掘装备实验室的建设

汪爱明, 李国平,郁海滨

(1. 中国矿业大学(北京) 机电学院, 北京 100083; 2. 中煤张家口煤矿机械有限责任公司 技术中心, 河北 张家口 075025)

1 煤矿采掘装备实验室建设的必要性

随着我国煤炭工业高速发展,煤机装备产品等级更新较快,虽然采掘装备的最大装机功率、最大支撑阻力和生产规模已达到或超过国外先进煤机企业产品水平,但整机综合性能和关键元部件性能与国外先进煤机产品仍有较大差距,呈现出“高端不足、中端平衡、低端有余”状况。为保证设备配套、满足工作面开采需要,关键基础部件只能采用进口,这样虽可解一时之困,但长此以往将不利于国家民族工业的发展。目前受国外制造企业限制,已出现在配件、服务等方面不能满足用户要求的现状,而这种局面短时间还难以改变。

建设煤矿采掘装备实验室,形成实验检测平台,为深入研究整机性能、关键元部件提供支撑,从根本上解决目前我国煤机装备产品可靠性和寿命低的共性问题,尽快扭转高端装备及关键部件依赖进口的被动局面,是煤机装备企业自主创新能力提升、煤炭工业创新发展、实施创新驱动国家战略的需要[1]。

1.1 实施创新驱动国家战略的需要

建设煤矿采掘装备实验室,形成具有国际先进水平的煤矿井下工作面成套设备研发与测试保障创新体系,建立国际领先的煤机装备、关键技术和测试实验完备的研发、试验基地；突破关键核心技术,打破国外高端煤机装备技术垄断,提升煤机装备国产化水平,符合国家创新驱动战略要求,是推进全国科技创新大会提出的创新型国家建设的重要实践,是赶超国外领先水平、引领国际煤机技术发展方向、实现煤机装备由“中国制造”向“中国创造”转变的必然选择。

1.2 加速煤炭工业创新发展的需要

国内外煤机企业的差距,造成国内神华等一些煤炭生产企业纷纷采购国外设备,这样虽然可以取得立竿见影的效果,但设备采购、配件供应、技术服务等方面价格高、周期长,且易形成垄断,长此以往将对国家煤炭工业的发展形成冲击。建立煤矿采掘装备实验室,从根本上解决研发力量分散、关键技术基础研究不足、煤机装备集成性低等问题,实现煤矿采掘装备关键技术自主化,整体提升采掘装备国产化水平,有效增强与国外企业抗衡实力,推进国家煤炭工业创新发展。

1.3 煤机装备企业自主创新能力提升的需要

目前,国内煤机制造企业以仿为主、创新能力不足,设备开机率低、寿命低、生产能力低,这与我国建设大型煤炭能源基地的形势不相适应。建立煤矿采掘装备实验室,集成创新优势,开展相关理论研究,完善测试手段和能力,实现煤炭开采技术变革,突破制约国产煤机设备发展的瓶颈,提升煤机装备制造企业自主创新能力,全面提高装备研发能力与自主化水平,进而以点带面,以企业创新能力提升推进行业技术进步。

2 煤矿采掘装备实验室的建设方向与目标

2.1 建设方向

(1) 通过采煤机、刮板输送机及配套设备、刨煤机单机性能检测及工作面三机配套性能检测,建立包括综采工作面成套设备选型特征性指标、设备几何匹配性的设备远程配套信息查询软件平台,开发数据分析处理软件、测控数据采集与处理系统及软件平台,形成综采装备优化配套理论。

(2) 通过刨煤机不同工况下刨削试验综合测试、不同煤质条件下煤层可刨性研究、刨煤机自动运行控制系统试验验证等研究,建立刨煤机样机试验、刨煤机工作面成套设备综合测试方法,形成企业或行业型式检验规范。

(3) 通过采煤机自动化监控技术、液压支架电液控制系统、输送机成套设备工况监测与控制、工作面成套设备三化监控系统研究,建立无人工作面监控系统理论,突破相关关键技术。

(4) 通过采煤机工作面成套装备工作状态下静力学、单机静力学、成套装备工作状态下动力学、单机动力学问题研究,建立采煤机工作面成套装备理论,突破相关关键技术,实现设备性能及结构优化快速设计。

(5) 研究采掘装备关键部件、新材料、新工艺的检测试验手段和评价方法。

(6) 针对煤矿采掘装备领域前沿技术和国家矿产资源安全开发利用等重大科技问题,承担国家应用技术基础研究和共性技术研究,促进国家煤矿采掘装备应用研究成果向工程技术转化。

(7) 研究制定国家和行业标准,规范采掘装备的设计和制造,提升采掘装备标准化能力。

(8) 与高等院校、研究院所和相关企业开展联合攻关,培养专家型人才,形成人才培养基地[2-6]。

2.2 长期目标

整合现有研发、试验资源[7],通过创新环境的改善、技术开发手段的提升、测试技术的提高,全面提升企业自主创新能力,实现煤机装备发展的关键核心技术的突破,打破国外垄断制约,形成具有国际先进水平的煤矿井下工作面成套设备研发与测试保障创新体系,建成国际领先的煤机装备、关键技术和测试实验完备的研发、试验基地,推进煤机装备自主化,大幅提升与国际先进煤机制造企业相抗衡的能力,实现由“中国制造”向“中国创造”的转变。

2.3 近期目标

(1) 建造模拟煤矿井下工作环境、进行综采成套装备机械、力学、控制等的实验研究平台,为综采装备设计提供理论依据和设计标准,形成系统完善的煤矿成套装备设计理论。

(2) 突破制约高端煤机装备的关键核心技术,增强自主创新能力,形成相关关键技术研发和试验基地,满足我国高端煤机装备关键元部件的国产化需求,逐步实现高端煤机装备国产化。

(3) 完成测控数据采集与处理系统及软件平台建设,建立成套装备性能测试、单机性能测试及相关关键元部件测试的实验室,建成具有国际先进水平的综合测试系统,为国家煤机制造业赶超国外领先水平、引领国际煤机技术发展方向奠定基础。

3 煤矿采掘装备实验室的建设内容

3.1 实验设备设施和人员

拥有实验用房面积14 352.6 m2,办公用房面积3 957.5 m2,下设煤矿成套装备研究所、产品工艺研究所、数字化矿山技术研究所、产品测试分析研究所、综合管理中心、会议中心、产品培训中心、博士后科研工作站。

现已具备了较完备的实验条件。拥有2 500 kN动载疲劳试验机、2 000 kW交流变频回馈试验台、美国QC3060-5齿轮检测系统、英国CS3400扫描电子显微镜等测试实验和相关辅助设备250余台套,设备总值9 400余万元。

设立了刨煤机研究、采煤机研究、刮板机研究、液压支架研究、地面输送设备研究、工业链条研究、矿用电器研究、洗选设备研究等专业科室,人员130余人,具有研究生学历人员和高级及以上专业技术职称人员占65%,形成了结构合理、创新能力突出的专业技术团队,多人为煤机采掘技术与装备设计、制造专家。

3.2 测控数据采集处理系统及软件平台建设

建立F1—F6系列模拟煤壁,通过进行测控数据采集处理系统及软件平台建设、三机(采煤机、刮板输送机、液压支架)配套性能检测、单机性能检测、刨煤机工作面成套设备综合测试技术研究,开展元部件的性能及可靠性试验验证,建立具有行业领先水平的综合测试系统,保证设备在煤矿井下复杂工况条件下运行的高可靠性。

3.2.1 数据采集系统硬件系统

(1) 采煤机工作面数据采集系统。采用磁滞收缩传感器对滚筒油缸的伸长量进行测量,输出脉冲信号,然后通过油缸的夹角计算出滚筒的高度；采用旋转脉冲编码器测量采煤机滚筒速度；采用水平加速度传感器测量采煤机运行位置、姿态；采用电阻应变片测量采煤机截割齿受力情况；采用水平振动传感器测量采煤机在牵引方向的振动。

(2) 刨煤机工作面数据采集系统。采用水平加速度传感器测量刨煤机位置、姿态；采用红外温度传感器测量刨头、刨刀温度；采用电阻应变片测量刨刀应力；利用安装在开关柜的传感器对电机的电压、电流、功率进行测定。

(3) 刮板输送机工作面数据采集系统。采用水平加速度传感器测量刮板机运行位置、姿态；采用旋转脉冲编码器测量链条速度；采用电阻应变片测量链轮与链条啮合过程中的传动效率、接触应力。

(4) 液压支架工作面数据采集系统。采用水平加速度传感器测量液压支架运行位置、姿态；采用磁滞收缩传感器对滚筒油缸的伸长量进行测量；采用电阻应变片传感器测量液压支架的各部件应力；采用电感式传感器测量推溜拉架方向和位移。

3.2.2 数据传输通信

固定部件的测量采用有线数据通信方式,对于旋转、直线运动的部件,在电池供电方式下,采用无线数据通信方式并通过存储卡存储数据。

3.2.3 数据分析处理平台软件

对于采集的不同类型信号(标准电流信号、脉冲信号、数字信号、电阻信号灯)采用不同的处理方式进行去伪处理(信号过滤)、测试数据与时空状态对应处理,建立多维空间下的数据库；开发性能及其测试参数可视化软件；进行理论研究与实测结果的误差分析与评价。

3.3 实验室检测项目

3.3.1 三机配套性能检测

(1) 与采煤机相关的三机配套性能试验项目。采煤机滚筒在最高位置时的装煤状况、机道上的浮煤量、采煤机下面的装煤能力、采煤机通过溜槽S形弯曲段时,滑靴和导向套受力状态；采煤机牵引链轮与销排或齿轮啮合时,其各自的受力状态、采煤机运动学参数、采煤机动力学参数、采煤机机体横向稳定性等。

(2) 与工作面刮板输送机相关的三机配套试验项目。刮板输送机输送能力与能耗、采煤机两侧滑靴在输送机上的运行状态、推溜时铲煤板与煤壁的距离、输送机刮板链张紧自适应等。

(3) 与刨煤机相关的三机配套试验项目。刨速与输送机链速的匹配关系、刨削深度、刨头稳定性、刨链预紧力、刨链拉力、刨煤机动态特性、刨煤机单位能耗等。

(4) 与液压支架相关的三机配套试验项目。操作方式和移架速度、按刨煤机要求调节刨深和移架步距、支架移动的直线性等。

3.3.2 单机性能检测

(1) 采煤机整机试验的主要测试项目。采煤机生产率、装煤效果、灭尘效果、噪声、破碎物的粒度等级、总功率消耗、单位能耗、空载和满载时的牵引速度、调整灵敏性、牵引力、截割时振动情况、机体是否有摇摆或偏转、接触操作或遥控的灵敏性、煤岩分界自动调高试验等。

(2) 刮板输送机整机试验的主要测试项目。从机头到机尾安装的平直度、中部槽在水平和垂直面内转角的实际数值、链速的调整与实际链速、空载测试、满负荷启动情况、手动与自动紧链试验、圆环链破断力的测试、改变预紧力对整机性能的影响测试、最大实际运输能力测试、负载阻力的测试等。

(3) 刨煤机整机试验的主要测试项目。刨煤机结构、刨头在全程运行中的稳定性、调整千斤顶对刨头倾斜度的调节范围、紧链装置与紧链力、刨速调整与刨头在工作面两端的自动换向,刨速的测定、刨头刨削煤壁的状态、能力、装载效果,刨煤机生产能力、刨煤机动力学、刨煤机自动控制情况、刨下物料粒度等级、灭尘与含尘量等。

3.4 刨煤机工作面成套设备综合测试

借助模拟煤壁,以刨煤机试验样机为研究对象,通过对刨煤机在不同工况下刨削试验的综合测试,研究不同工况条件下刨煤机功率消耗、刨链牵引力和刨头刨刀受力变化规律,并与理论设计计算及虚拟仿真分析结果进行分析比较,为刨煤机结构参数优化和特定工作面刨深、刨煤机驱动部功率、刨链规格、刨速以及工作面输送机链速的设计参数选择提供技术支持,为完善刨煤机设计计算方法提供依据；研究不同煤质条件下煤层可刨性,为具体工作面刨煤机运行参数选择和不同工作面刨煤机设备的选型提供科学技术和测试实验支持；同时在实验中验证刨煤机自动运行控制系统的可靠性。

最终通过综合测试实验研究,完善刨刀、刨头、刨链受力计算及刨煤机运行参数选择和计算等一系列设计计算方法,解决虚拟样机仿真分析过程中复杂载荷的模拟问题,形成企业设计标准,建立一套完整的样机试验方法,形成企业(或行业)型式检验规范。

3.5 校企联合培养人才模式建设

行业高校常出现重理论轻实践、理论教学与实践锻炼联系脱节的问题。矿山机械相关教材涉及的煤矿采掘装备滞后生产实际二、三十年,大部分教师没有从事煤矿采掘装备相关产品研发的经验,煤炭生产企业不让轻易下井参观导致教师对采掘装备、煤矿工作面没有直观认识,学生实习找不到特别合适的接受企业[8]。企业中青年技术人员想进入院校,进一步深入学习理论知识,提升自我,解决工程技术难题,但时间和精力有限导致难度较大。

利用上述以模拟煤壁、采掘机械装备、相关试验设施为核心平台,建成校企联合培养人才基地,实现校企双向人才培养[9-12]。教师、学生可以深入人才培养基地,与现场技术人员交流,开展教学研讨或实习实践；以联合培养工程硕士的形式,基于实验中心相关技术课题,企业中青年技术人员可以进入学校进一步深造,提升自身专业水平,攻克技术难题。目前实验室接待行业院校实习任务10余次,承担产学研项目4项。

4 结语

煤矿采掘装备实验室建成以F1—F6系列模拟煤壁为核心的国际最大的煤矿采掘装备综合检测中心、亚洲最大的采掘成套装备联动实验室,将具备如下主要能力：(1)具备煤矿采掘成套(单机)装备综合评定能力；(2)具备承担国家重大煤机装备项目及解决我国煤矿采掘装备领域重大科学与技术的研究、试验能力；(3)具备煤炭行业产品技术水平综合评价、质量状况分析及开展相关专项调查能力；(4)具备新的检验测试技术和方法研究开发、采掘装备成套(单机、关键部件)技术标准研究和制定能力；(5)具备与国内煤机装备企业、科研院所、大中专院校等合作开展工程项目的关键技术研究与工程化研究能力；(6)具备煤矿采掘机械装备研发高层次人才培养能力。

煤矿采掘装备实验室能够为国家高端煤机装备研发提供高可靠的技术支撑和测试保障,推动国家煤机装备早日实现由“中国制造”向“中国创造”的转变。