刍议机电一体化技术在综合采煤设备中的应用

时间：2024-05-17

张锐

（富源县煤炭工业局，云南曲靖富源 655500）

1 前言

随着我国科学技术的高速发展,机电一体化已经成为机械电子工业发展的必然趋势。机电一体化技术顺应了当今科学技术发展的规律,使机电产品具有机械与电子技术相结合的整体优势,给传统工业带来了革命性的变革,并产生了巨大的社会效益和经济效益。

煤炭工业是传统产业,一些发达国家已清楚地认识到传统的机电产品已不再适应高产高效煤炭生产需要。70年代末80年代初,机电一体化技术和有关产品在煤炭工业中得到推广使用。发达国家在煤炭工业以微电子技术为基础,自动化技术并以计算机技术为中心,大力发展机电一体化高产高效综采设备(综采设备主要是指工作面采煤机、运输机和液压支架等)。

80年代以来,一些先进国家在研究、开发和生产综采设备方面集中体现了机电一体化技术发展趋势,这些设备日益大型化和自动化,并且具有高可靠性和长寿命。如采煤机可连续采煤350万t,工作面刮板运输机最高可运煤600万t,设备运行的监控监测自动化程度也不断提高,还出现了全自动控制的采煤机,实现了电液控制的液压支架。在故障诊断方面,功能也日趋完善,使煤炭产量和综采设备使用效率大大提高了,形成了现代化煤炭生产的鲜明特点。

2 国外综采设备机电一体化应用与发展

为使煤炭生产工效和安全得到提高,许多国家从70年代就对综采设备进行技术改进。采煤机利用微电子技术和电力电子技术由液压牵引改造为直流电牵引,这不仅能获得更大的牵引力和牵引速度,而且能消除液压部件许多难以克服的缺点。进入80年代,直流电牵引系统越来越多地被交流变频(VVVF)电牵引系统所取代,它使采煤机的割煤速度进一步提高,在可靠性、效率以及节能等方面也有所提高。由于微电子技术和计算机技术的广泛应用,采煤机的监测监控手段也进一步完善,大大推进了综采设备的自动化程度,使其具有自动控制、工况监测、故障诊断、数据处理、人机对话、显示报警和断电记忆等功能。就TeisafeOV-AC系统来说,它是在采煤机上装有一整套传感器,用来采集采煤机的工作位置、方向、速度、摇臂相对机身的位置、煤层倾角及倾斜状态、油液压力和温度等数据资料,这些数据经计算机处理后,用以进行辅助遥控,并对作业面工作情况采用图形方式显示和记录,并对设备进行故障诊断。而英国煤炭工业研究的重点也是涉及监测监控及故障诊断的工程设计。国外在采煤机的智能化方面也作了许多工作,主要是把计算机与传感器结合起来,使采煤机具有数据处理、自诊断、软硬件结合、人机对话、显示报警和断电记忆等功能。

由于机电一体化技术被广泛用于综采设备,使其性能提高,功能增强。具体反映为:增加了若干自动操作功能和自动调节功能,使设备的可靠性明显提高。采用自诊断、停电对策等新技术后,改善了操作性能。具有不同程度的自动控制功能,甚至有些还具有自适应和智能化等功能,使设备结构简化。由于交流电机采用微机控制使其既具有直流电机的调速性能,又具有结构简单可靠、机械惯量小、效率高等优点。生产方式向“柔性化”和综合自动化方面发展。电子技术的介入,提高了综采设备的检测和控制装置水平,并带来了明显的经济效益和社会效益。国外综采设备发展趋势是更加广泛应用微电子技术与计算机技术,提高监测监控和故障诊断水平,提高自动化程度,并向智能化方向发展,实现采煤工作面真正无人化。使具有机电一体化的采煤设备带有更高性能的智能装置,即“全息”特性。

3 国内综采设备机电一体化现状

我国煤炭事业取得了巨大成就,尤其是近10年煤炭产量不断提高。1995年全国煤炭产量达10.8亿t,居世界产煤国第一位。随着科学技术的高度发展,国产综采设备技术水平有了很大提高,国产设备采煤比例由1981年的20.52%上升到现在的73.03%,比重占3/4,产煤量达13504.6万t,占出煤的37.67%。为适应煤矿现代化的高产高效需要,综采设备利用微电子技术和计算机技术可以显著提高设备的效率、技术性能和易维护性。在利用高产高效综采设备中,我国“八五”期间出现了一批200万t以上的综采队。然而就工作面采煤机而言,绝大部分为液压牵引,少数电牵引采煤机为国外引进。

虽然我国在综采设备机电一体化技术研究方面与国外先进国家存在较大差距,但近年来对综采设备机电一体化技术除引进外还部分实现国产化。如西安煤机厂引进全套德国艾柯夫公司生产的直流电牵引采煤机。在国产化方面,由科研院所生产厂家共同研制了交流电牵引采煤机,其中电气关键部分变频器由国外引进,部分电控设备采用引进技术。电液控制的液压支架国内还没有正式产品,均处于试验阶段。重型工作面刮板运输机微机控制的软启动系统正处于研制和试验中,不具备综采设备工况监测和故障诊断系统。总之,综采设备机电一体化在煤炭行业处于起步阶段。

4 综采设备的发展与相关技术的研究

产高效综采设备的特点是重型化、大功率化、大能力化和高性能(自动监控)化。高产高效综采设备的技术发展趋势是:采煤机--大功率、大截深、交流电牵引、监测监控;运输机--大功率、大能力、软启动;液压支架--高工作阻力、微机与电液控制、快速移架;设备配套总能力在2000t/h以上,采区设备总容量3000kW以上,供电电压2kV以上。为此,根据我国煤炭行业的实际情况,追踪国际先进技术,应积极开展高产高效综采设备机电一体化技术的研究,加快这一进程的发展。

4.1 传感器研究

近年来,我国在综采设备机电一体化技术方面作了一些研究,尤其是检测传感器,主要包括:电压电流、功率测定、牵引速度、电机温度、油液温度、油液压力、液位高度、液压支架支撑压力、电液阀和流量传感器等。但不同程度上存在一些问题,有些需要改进,部分需完善和提高。为此,研究内容应包括:a.关键部位传感器的研制。采煤机机身倾角、摇臂摆角、牵引速度、行走方向、牵引力、煤岩分离;刮板运输机的推溜油缸行程,支撑油缸的行程(支撑视度);液压支架压力和流量;b.实现信号输出标准化和规范化;c.提高传感器结构性能,测量精度和可靠性。

4.2 测控装置研究

在对传感器研究的同时,也要对综采设备的保护功能和控制功能进行研究。由检测的各工况参数,经微机进行运算和处理,并根据预先设定的动作值,给出相应保护动作。另外在机组发生故障情况下,结合井下工作特点,用声、光发出报警或用显示的方式,显示出故障点和故障性质,而这些过程也是通过微机控制来实现的。利用微机软件运算方便、灵活的特点,对采煤机实行智能化的功率控制,根据过载的不同程度,分别实现减速、立即停机或倒退等功能的研究。进一步的研究目标是实现采煤机摇臂自动调高控制。

4.3 工况监测和故障诊断

由于综采设备可靠性失效引起工时损失是形成当前开机率低的主要因素之一,所以要在技术方面作重点研究。其主要内容利用微电子技术和计算机技术,对设备的故障进行检测,使采煤机实现自诊断、自适应功能。其中研究的项目应包括:采煤机微机处理故障监测装置、综采设备综合状态监测及故障诊断装置、采煤机故障诊断专家系统等、刮板运输机故障诊断与监测。这项研究是当前系统可靠性研究的方向。