关于机电一体化在矿山机械中的应用

卢赞宇

（广西河池市桌泰建筑工程有限责任公司大新分公司，广西崇左 532315）

我国经济的高速发展，使很多行业领域都对矿产资源有了更大需求，这使矿山生产面临到前所未有的压力和挑战。在这种局势下，如果依然沿用传统的生产及管理技术，将无法满足现实要求。而机电一体化技术的出现，犹如为矿山生产注入新鲜血液和强大动力，彻底改变以往粗犷式的生产及管理模式，在保证生产效率和质量的同时，更好地保证了安全，而且还能良好适应未来进一步发展。

1 机电一体化优势

机电一体化指的是将包含机械、电工电子、微电子、信息、传感器、接口与信号变换等在内的不同技术通过有机结合，在实际生产过程中均得以应用的一项综合技术，现在基本上所有自动生产设备均属于机电一体化设备范畴。在机电一体化各类相关技术不断发展的作用下，很多机电产品不仅外观得到很大的改善，而且功能也变得更强大，重量与体积也不断减小。相较于传统机电产品，实行机电一体化后的机电产品，主要具有下列几个方面的优势：

（1）功能得到大幅增强，且应用范围更加广泛。对于实行机电一体化后的产品，其最显著的优势特点在于突破了以往产品单一技术与功能方面的限制，把不同技术和功能集为一体，使功能变得更为强大[1]。另外，还能适用更多场合及领域，良好满足不同用户的需求，并具有很强的应变能力。

（2）精度得到极大的提升。机电一体化的实行使机构得以简化，传动部件大量减少，能显著降低由于磨损或受力变形等原因造成的误差，并且在计算机检测及控制技术的支持下，还能减少由于干扰产生的动态误差，最终达到传统技术与设备均无法达到的工作精度。

（3）安全性与可靠性更高。产品通常都具备很多安全功能，如自动监控和报警、自动诊断与保护等，在这些功能的支持下，可以有效防止人身伤害事故，也能使设备更加安全与可靠运行。

（4）改善操作。产品的控制方式从以往的手动变为计算机控制，所有动态参数都能以数字的形式动态显示，并能提供良好人机界面，省去手柄或按钮，使设备操作性能得以有效的改善，帮助企业减少用于人员培训方面的费用，还能避免由于人为操作失误造成的误差或威胁。

（5）增强柔性。柔性是指可借助软件对机器工作程序进行有目的性的更改，进而适应不同的情况和需要[2]。比如，对于工业机器人，它的运动自由度很多，其手爪部分可更换很多种不同的工具，通过对控制程序的更改实现不同的运动姿态及轨迹，进而更好地适应生产，满足当下越来越多的作业要求。

最后，提高生产能力，保证工作质量。

2 矿山中机电一体化技术具体应用

2.1 机电一体化采矿机

在采矿机方面，机电一体化产品以电牵引采煤机最具代表性，如图1所示，相比传统的液压牵引采矿机，电牵引采矿机具有下列优势特点：

图1 电牵引采煤机

（1）牵引性能更好，在前进的过程中提供足够牵引力，从而更好地克服阻力，在下滑过程中也能实现发电制动。

（2）可以在倾角较大的矿层中使用。在牵引电动机中安装了停机时能有效避免下滑的制动装置，由于其制动力矩可以达到电动机自身额定转矩近2倍，即便矿层倾角达到40°～50°，也能在无须其他防滑措施的情况下正常使用[3]。

（3）可靠性强，寿命长。不同于传统的液压牵引方式，电牵引只是电刷与整流子存在一定程度的磨损，而其他元件基本没有磨损，所以其运行可靠性更强，不容易发生故障，延长设备的使用寿命，减少维修方面的成本和工作量。

（4）反应速度快，有良好的动态特性。采用电控系统可以随时对各项技术参数进行调整，避免设备超载运行。

（5）设备结构比较简单，且运行效率高。对于电牵引采矿机，其传动部分的结构更加简单，且尺寸小、轻便，仅需一次转换即可以使电能转换成机械能，传动效率可以达到90%以上，而传统的液压方式最高不超过70%，这在节能减排方面也有很大的优势。

2.2 机电一体化输送机

带式输送机因其输送距离较长、输送量大且运行稳定，所以是现阶段矿物最常用的输送设备，同时也是机电一体化主要研究热点之一。当前主要采用的是CST可控软启动装置。该装置的作用在于为平滑起动提供大惯性载荷，比如为矿山长距离皮带运输机专门设计一种软启动装置。一台输送机既可以由一个CST控制，也可以由多个控制。因为还没有从根本上解决动态分析问题与在线监控问题，所以带式输送机不能有太多中间驱动点，通常采用三点驱动的方式，但这样会对输送机实际长度与运量带来很大的限制。另外，输送机普遍缺乏动态监控，加之本身可靠性不高，所以寿命较短，与预期水平还有一定差距[4]。但通过机电一体化改善和升级，这些问题将得到有效解决，不再成为煤矿生产效率和安全的短板。

2.3 机电一体化监测监控系统

井下综合自动化系统指的是采用包含计算机网络和光纤通信等在内的各项先进技术建立在环境恶劣、作业人员与机械设备分布分散且安装要求较高的环境中满足防爆安全要求的速度可以达到1000Mbps以上的互联网系统。该系统的核心在于在矿山不同领域建立一个开放协议的工业数字网络系统，以此实现数据传输、安全检测及各类信息的处理和存储，为井下管理提供一个完善的信息交互平台，这对保证生产安全和提高管理水平都有十分重要的作用。按照管控一体化基本思想，可采取三层网络结构，与各种新理论和技术相结合，并借助现阶段成熟可靠的自动化产品，使矿井的每个生产环节都能实现信息化，并将现有和正处在建设状态的矿井都集成在一个统一平台上，以此形成一个完整机体[5]。采用以上这种简单清晰的网络结构，并辅以以太网协议，能使系统运行更加高效与可靠。

2.4 机电一体化矿井支护

目前，液压支架正在向电液控制领域不断发展，通过对计算机和液压控制两项技术的结合，既可以实现成组自动移架，也能做到定压双向邻架，这样能从根本上防止对顶板或支架造成太大的冲击。比如从美国与德国进口的新型电液控制支架，其移架速度基本都保持在6～8s/架，某些情况下甚至可以达到3s/架，同时还能动态检测支架实际工作状态[6]。对于矿山供电，对可靠性的要求往往更高，以此满足一系列大功率设备运行要求。基于此，应不断研发和推广具有较高节能水平的产品。比如，为高压开关柜选择真空开关时，应优先考虑维护量较少且使用寿命更长的类型；通过对就地补偿与集中补偿两者充分结合，能起到提高功率因数的作用，减少整个供电系统中的无功电流，进而避免产生太大的无功损耗。另外，现在很多高压与低压开关柜都引入微机保护，提供网络功能，进而实现远程状态下的四遥。早在2009年末，某集团就成功研发了新一代采用电液控制方式的大采高支架（其型号为ZY17000/33/75D），正常运行时工作阻力可以达到17000kN，可提供1.46MPa左右的支护强度，最大支护高度可以达到7.5m，创造当时的世界纪录。这一新型支架的出现和使用，标志着我国矿物生产机械设备自主研发能力取得大幅提升，且相应的制造技术和综合实力也都达到了国际领先的水平，能为我国今后开采更复杂的矿层提供可靠支撑，进一步拉近了和高产高效综合机械化开采目标的距离[7]。

3 结语

综上所述，机电一体化技术的出现和应用从根本上改变了矿山的生产与管理，不仅能提高矿山生产效率，还能为整个生产过程的监控及管理提供有效的技术解决方案，同时还能为条件更复杂、难度更高的矿层开采提供技术支持，从而促进我国矿产事业的发展，适应各行业领域发展对矿产资源提出的新需要。