電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

嚴(yán)周民

摘 要：隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛崛起和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為煤炭的開(kāi)采奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，煤炭開(kāi)采設(shè)備亦獲得的長(zhǎng)足的發(fā)展。在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，電牽引采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采所使用的重要設(shè)備之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦的順利開(kāi)采和作業(yè)安全具有重要的作用。近年來(lái)，我國(guó)電牽引采煤機(jī)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依然存在不足。電牽引采煤機(jī)的研究和使用，應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)充和完善，提高電牽引采煤機(jī)的整體水平。基于此，本文試圖對(duì)電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：電牽引采煤機(jī)；技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.051

0 引言

電牽引采煤機(jī)作為煤炭開(kāi)采常用設(shè)備，調(diào)速方便，牽引速度大，可靠性強(qiáng)，已逐漸成為煤礦開(kāi)采的主流設(shè)備。為了滿(mǎn)足高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井開(kāi)采的需要，把脈電牽引采煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)其技術(shù)研究，發(fā)揮其技術(shù)水平，促進(jìn)煤炭開(kāi)采的可持續(xù)發(fā)展很有必要。

1 電牽引采煤機(jī)工作原理及牽引方式

采煤機(jī)是綜合機(jī)械化采煤工作面主要工作設(shè)備，擔(dān)負(fù)落煤和裝煤任務(wù)。滾筒式的采煤機(jī)主要由截割部、牽引部、電動(dòng)機(jī)及輔助裝置組成。按牽引方式分為鏈牽引式和無(wú)鏈牽引式；按牽引部傳動(dòng)方式分為機(jī)械牽引式、液壓牽引式和電牽引式式。機(jī)械牽引式因不能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，滿(mǎn)足不了采煤工作工況變化的要求而很少應(yīng)用；液壓牽引式雖可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，變速、換向、停機(jī)等操作方便，保護(hù)齊全，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和操作，但因傳遞能量的介質(zhì)油液，易受工作環(huán)境雜質(zhì)污染而引起液壓元件損壞導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高且難以排除，采煤機(jī)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，礦井難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，故而液壓牽引式采煤機(jī)近幾年研制發(fā)展停滯；電牽引式通過(guò)直接改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)牽引速度的改變和牽引方向的改變，其牽引部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，采煤機(jī)機(jī)械故障率大幅降低。

電牽引采煤機(jī)共有4種牽引方式：（1）直流電機(jī)牽引。（2）交流變頻調(diào)速電牽引。（3）感應(yīng)電機(jī)與電磁滑差離合器電牽引。（4）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速電牽引。前兩種牽引方式最為普遍，后兩種電牽引方式目前應(yīng)用很少。

1.1 直流電牽引采煤機(jī)調(diào)速原理

由電工學(xué)可知，他激直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩公式為，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ，電動(dòng)機(jī)輸出扭矩式中， U為電樞電壓，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，M為電動(dòng)機(jī)輸出扭矩。通過(guò)晶閘管控制觸發(fā)電路，改變電樞電壓或激磁電壓（磁通量Φ）的大小和方向，就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而改變采煤機(jī)的牽引速度和牽引方向。在0～ne（為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用電樞電壓調(diào)速，即保持磁通量不變，通過(guò)改變電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此時(shí)電動(dòng)機(jī)扭矩保持不變，實(shí)現(xiàn)恒扭矩調(diào)速。在ne ～nmax （nmax為電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用電磁通調(diào)速，即保持電樞電壓不變，通過(guò)改變磁通量實(shí)現(xiàn)調(diào)速，電動(dòng)機(jī)功率保持不變，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。

1.2 交流電牽引采煤機(jī)調(diào)速原理

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為 ，式中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速，p磁極對(duì)數(shù)，s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，f電源工作頻率。由轉(zhuǎn)速公式可知，通過(guò)改變磁極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法都能實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。比較而言，只要平滑改變頻率最容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)極調(diào)速，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度的無(wú)極調(diào)節(jié)。

1.3 采煤機(jī)牽引方式

采煤機(jī)牽引方式有有鏈?zhǔn)胶蜔o(wú)鏈?zhǔn)?。有鏈牽引因存在斷鏈危險(xiǎn)和割煤脈動(dòng)現(xiàn)象只能用在生產(chǎn)能力有限的普采工作面中，不適應(yīng)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)的需求而淘汰。按照牽引機(jī)構(gòu)的不同無(wú)鏈牽引式主要有齒輪-銷(xiāo)軌型、銷(xiāo)輪-齒軌型、鏈輪-鏈軌型、復(fù)合齒輪-齒軌型。目前用的較多是齒輪-銷(xiāo)軌型和復(fù)合齒輪-齒軌型。

2 電牽引采煤機(jī)技術(shù)特征

2.1 電牽引采煤機(jī)工作效率增強(qiáng)，性能參數(shù)進(jìn)一步提高

采煤機(jī)總裝機(jī)功率超過(guò)1000kW。如SL1000型采煤機(jī)，其總裝機(jī)功率已經(jīng)超過(guò)2600kW，牽引功率為80kW，最大牽引力高達(dá)300kN。大部分的單臺(tái)電牽引采煤機(jī)功率需大于400kW，更甚者超過(guò)600kW功率。與以往采煤機(jī)對(duì)比可知，電牽引采煤機(jī)在牽引速度以及牽引力均明顯高于傳統(tǒng)采煤機(jī)。根據(jù)采煤機(jī)生產(chǎn)率公式Q=60HBVρ可知，要滿(mǎn)足高產(chǎn)、高效需求，提升采煤機(jī)牽引速度最為直接。牽引部功率的加大為采煤機(jī)在大傾角下開(kāi)采提供了足夠的牽引力，同時(shí)為加大滾筒截深，進(jìn)一步增加產(chǎn)能成為可能。

2.2 電牽引采煤機(jī)的供電方式必須是中高壓供電

電牽引采煤機(jī)通常采用3300V電壓，在供電過(guò)程中，一般利用單電纜完成供電，因單電纜具有使用便捷的優(yōu)勢(shì)。在煤層面開(kāi)采過(guò)程中，可隨意對(duì)單電纜進(jìn)行移動(dòng)，從而有效的降低電纜故障概率，方便采機(jī)移動(dòng)和搬家。為適應(yīng)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的要求，一方面是加大工作面長(zhǎng)度，有的甚至加大到350m，這樣減少采煤機(jī)頻繁變化牽引方向的輔助作業(yè)時(shí)間，提高了煤機(jī)有效作業(yè)時(shí)間；另一方面通過(guò)擴(kuò)大電牽引裝機(jī)功率，提高采機(jī)單位時(shí)間的生產(chǎn)率。裝機(jī)功率的提高對(duì)電源質(zhì)量要求也隨之增高。從電工學(xué)原理可知，輸電線(xiàn)路的輸電損耗和電壓的平方成反比，和頻率成正比，即電壓越高，損耗越小，為了保證電牽引采煤機(jī)能夠取得有效的電機(jī)性能，需科學(xué)的把控輸電線(xiàn)路電能損耗，通常利用中高壓完成供電。

2.3 電牽引采煤機(jī)監(jiān)控保護(hù)智能化

現(xiàn)代電牽引采煤機(jī)具有建立在計(jì)算機(jī)處理基礎(chǔ)上的智能化監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)為控制器與變頻器；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于對(duì)電牽引采煤機(jī)工作狀況給予全方位的監(jiān)控?，F(xiàn)階段，電牽引采煤機(jī)已經(jīng)向智能化方向發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測(cè)、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存及傳輸、故障診斷及預(yù)警自動(dòng)控制、自動(dòng)滾筒調(diào)高等多種功能，以保證電牽引采煤機(jī)最低維修量和最高利用率。智能化設(shè)備的運(yùn)用，進(jìn)一步提升了采煤工作效果的同時(shí)，增強(qiáng)了采煤機(jī)功能的最大化發(fā)揮，降低設(shè)備維護(hù)成本。同時(shí)，電牽引采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了與液壓支架、工作面輸送等配套相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制及信息交互功能。

3 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分的液壓牽引采煤機(jī)裝機(jī)功率小，牽引速度低（最大只有9.6m/min）；現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，受環(huán)境雜質(zhì)影響，液壓牽引系統(tǒng)漏油失壓，故障率大且難于排除；兩次能量轉(zhuǎn)化，傳遞效率低等這些技術(shù)的制約，不能滿(mǎn)足高效、高產(chǎn)的煤礦開(kāi)采需求。而電牽引采煤機(jī)用電動(dòng)機(jī)直接傳遞動(dòng)力至行走機(jī)構(gòu)的齒輪與刮板運(yùn)輸機(jī)敷設(shè)的齒軌嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引，牽引速度大，調(diào)速方便，裝機(jī)功率大，效率高，故障率低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多的優(yōu)勢(shì)，尤其在維護(hù)和技術(shù)性能的優(yōu)勢(shì)較為顯著，符合了高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的需求，是現(xiàn)階段采煤設(shè)備技術(shù)升級(jí)發(fā)展趨勢(shì)。

4 電牽引采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 向多電機(jī)橫向布置和電氣模塊化發(fā)展

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的采煤機(jī)，截割部、牽引部及輔助泵站的動(dòng)力都由此電機(jī)供給，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障幾率大，縱向布置的電機(jī)向滾筒傳遞動(dòng)力時(shí)，需要一對(duì)錐齒輪嚙合，傳遞效率低，易損壞。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)彼此獨(dú)立，部件之間無(wú)機(jī)械傳動(dòng)，取消了錐齒輪傳動(dòng)副和復(fù)雜的通軸，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便。

現(xiàn)階段隨著電控技術(shù)的發(fā)展，控制電器功能的逐步齊全，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用以及電氣控制裝置可靠性的提高，電牽引采煤機(jī)的電氣裝置設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)便，通用性、互換性和集成性更好，組裝、拆卸、維修更為方便的模塊化已成為可能。

4.2 無(wú)鏈牽到齒輪-齒軌模式發(fā)展

大傾角、大采高、硬煤質(zhì)煤層的開(kāi)采以及高產(chǎn)高效的要求決定著采煤機(jī)牽引力會(huì)越來(lái)越大，為適應(yīng)大牽引力的要求，銷(xiāo)輪-銷(xiāo)軌式的牽引機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)不合理，已不能承受大的牽引力，現(xiàn)階段在采煤機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用已經(jīng)少之又少，有逐漸被淘汰得趨勢(shì)。而電牽引采煤機(jī)的無(wú)鏈牽有向齒輪-齒軌方式進(jìn)行發(fā)展的趨勢(shì)。在無(wú)鏈牽引結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，齒軌代替了傳統(tǒng)的銷(xiāo)軌式圓柱銷(xiāo)，整體精密的鍛造替代了傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)，不斷擴(kuò)大的齒軌寬度可保證傳遞質(zhì)量，節(jié)距的不斷增多（高達(dá)175mm）有利于牽引速度的提高。

4.3 智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展

電牽引采煤機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了較為深入的研究和利用，并實(shí)現(xiàn)了電牽引采煤機(jī)的自動(dòng)化和智能化控制。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和煤炭資源利用程度的加深，電牽引采煤機(jī)將會(huì)逐漸取代液壓牽引采煤機(jī)。充分發(fā)揮電牽引采煤機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)，需積極的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的電牽引采煤機(jī)技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)采煤機(jī)智能化和自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)、研究和完善，實(shí)現(xiàn)電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。研究采煤機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化，加強(qiáng)對(duì)采煤機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究，利用人工智能技術(shù)，使其能夠在工作中進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別和自動(dòng)報(bào)警檢修等技術(shù)更新都是電牽引采煤機(jī)研究、發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，伴隨著我國(guó)社會(huì)科技的迅猛發(fā)展，滿(mǎn)足高產(chǎn)高效要求，采煤機(jī)其裝機(jī)功率不斷增大，電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用在很大程度提升了煤炭開(kāi)采工作效率。為了保證煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需加強(qiáng)電牽引采煤機(jī)技術(shù)創(chuàng)新，加大投入力度，更好的促進(jìn)電牽引采煤機(jī)的整體質(zhì)量，更好的發(fā)揮其自身價(jià)值。

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