機電一體化在煤炭生產中的應用

寇永英

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

機電一體化技術是機械、計算機、信息處理和自動控制技術綜合運用的復合技術,是微電子技術向傳統機械工程滲透而形成的融合機械工程、電氣工程、計算機技術、信息技術等為一體的新興綜合技術。機電一體化技術順應了當今科學技術發展的規律,顯示了強大的生命力。由于煤炭生產是將數百、數千萬噸煤炭從地層深處采掘、運送到地面,因此,采用大量的機電設備才能實現這一目標,而機電一體化煤礦產品是實現高產高效的最好選擇。機電一體化將機械與電子技術融為一體,使物流、能流、信息流融為一體。

1 機電一體化技術在煤礦中的應用

1)機電一體化技術在提升機中的應用。礦井提升機是目前煤礦機電一體化、自動化水平較高的設備,如全數字化交直流提升機。尤其是內裝式提升機,從結構上將滾筒和驅動合為一體,機械結構大大簡化,實現了機械—電力電子—計算機—自動控制的綜合一體化技術。而全數字化提升機可靠性高,采用總線方式,大大簡化了電器安裝,此外,硬件配置簡單,互相兼容。“九五”期間,國產數字化直流提升機已成為煤礦提升機的首選機型。我國研制成功的具有自主知識產權的全數字化提升機,其核心部分ASCS是由雙CPU構成的計算機系統,其性能先進、操作簡便、準確可靠。此外,我國還應用SIMADYND和S7研制成功了第一臺交 —交變頻器供電的交流提升機。目前,最大裝機容量已達到5000 kW,主、副井提升機可做到全自動化,不需要專門的絞車司機。

2)機電一體化技術在采煤機中的應用。電牽引采煤機是機電一體化技術在采煤機的一個典型應用。與液壓牽引相比,它具有以下特點:

a)良好的牽引特性。可以在采煤機前進時提供牽引力,使其克服阻力移動,也可以在采煤機下滑時進行發電制動,向電網反饋電能。

b)可用于大傾角煤層。牽引電動機軸端裝有停機時防止機器下滑的制動器,因為它的設計制動力矩為電動機額定轉矩的1.6～2.0倍,所以電牽引采煤機可用在40°～50°傾角的煤層,而不需要其它防滑裝置。

c)運行可靠,使用壽命長。電牽引和液壓牽引不同,前者除電動機的電刷和整流子有磨損外,其它元件均無磨損,因此工作可靠,故障少,壽命長,維修工作量小。

d)反應靈敏,動態特性好。電控系統能及時調整各種參數,防止采煤機超載運行。

e)結構簡單、效率高。電牽引采煤機機械傳動結構簡單、尺寸小、重量輕,電能轉換為機械能只做一次轉換,效率可達99%,而液壓采煤機的效率只有65%～70%。

1991年煤炭總院上海分院與波蘭瑪克公司合作,研制成功我國第一臺采用交流變頻調速MG344-PWD型薄煤層強力爬底板電牽引采煤機以來,我國的電牽引采煤機有了較快的發展。國內上海天地公司、太原礦山機械廠、西安煤機廠、雞西煤機廠等都生產交流變頻和直流電牽引采煤機,而且得到了廣泛的應用。經過近20年的研制開發,我國的電牽引采煤機已逐步走向成熟,為煤礦生產技術的進步起到了積極的推動作用。

3)機電一體化技術在帶式輸送機中的應用。帶式輸送機由于長距離連續輸送、輸送量大、運行可靠、效率高和易于實現自動化等特點,已成為我國煤礦井下原煤輸送系統的主要運輸設備。因此,成為近幾年來機電一體化技術的研究重點。目前,主要采用機、電、液一體化的CST可控軟啟動裝置。它是一種專門為平滑起動運送大慣性載荷,如煤炭或金屬礦石的長距離皮帶運輸機而設計的軟驅動裝置。一條皮帶運輸機可以由一臺或幾臺CST驅動。由于尚未解決動態分析和在線監控技術以及啟動延遲技術,我國帶式輸送機的中間驅動點不能過多,一般為3點驅動,這樣就限制了輸送機的單機長度和運量。而且輸送機的監控設備功能少、可靠性較差,靈敏度和壽命都較低,和發達國家相比存在明顯的差距。

4)其他煤礦機電一體化裝置。液壓支架則向電液控制方向發展,將計算機技術與液壓控制有機結合,實現定壓雙向鄰架或成組自動移架,避免對頂板和支架產生沖擊載荷。應用實例:同煤大唐塔山煤礦位于大同煤田中東部邊緣地帶,井田面積170 km2,主要煤層為石炭二疊紀煤層,設計年生產能力1500萬t,塔山礦井綜放工作面主采煤系為石炭二疊系3#～5#合并層,厚度為1.63～29.21 m,平均厚度15.72 m,采用低位放頂煤開采工藝。支護設備采用天地科技股份有限公司設計,中煤北京煤礦機械有限責任公司、鄭州煤礦機械集團有限責任公司、平陽重工機械有限公司制造的成套支架。

該套設備設計包括ZF10000/25/38四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架、ZFG10000/25/38H放頂煤過渡支架、ZTZ20000/25/35中置式端頭支架,為適應塔山礦工作面頂板壓力需要,對中間架和過渡架工作阻力進行整體提升,由10000 kN提升至13000 kN,過渡架高度由2500～3800 mm改為2650～3800 mm,由于礦井工作面地質條件復雜,在順槽掘進過程中經常出現漏頂現象,最高處超過3.5 m,造成生產推進時端頭支架離頂,嚴重威脅工作面安全生產。在總結各工作面端頭支架使用情況的基礎上,決定對端頭支架進行改造,提高最大支撐高度,以達到推進過程中安全支護的要求。目前,該套支架已成功完成8103、8202工作面開采,其成功經驗對全國同類型礦井建設有積極的推廣意義。

2 煤礦機電一體化技術應用的發展趨勢

我國制造的煤礦機電一體化設備都具有智能化、程序化、信息化的特點,以及設備體積小、操作、維護方便、保護齊全、性能可靠等優點。這些設備在煤炭生產中的廣泛應用,不僅減輕了操作人員的勞動強度,而且提高了煤礦的生產水平和能力,創造了巨大的經濟效益和社會效益。但是,我國的煤礦機電一體化技術與發達國家相比,還有一定的差距,因此,還有很多的工作需要繼續研究,其未來的發展趨勢是:

1)開發有自主知識產權的以煤礦開采技術及配套裝備為主導的核心技術,研究具有自主知識產權的核心裝置。

2)增加產品的通信功能,以適應綜合自動化的需要。

3)開發以微處理器和微機為基礎的礦井設備工況和健康監測以及微處理器、計算機和專家系統的應用等。

4)煤礦機器人仍然是煤礦機電一體化技術今后研究的重點之一。

3 結束語

近年來,隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、傳感器技術和自動化技術的飛快發展,信息流成為機電一體化的主要特色。其產品實現自動化、數字化、智能化,在性能和功能方面均實現了質的飛躍。因此,機電一體化技術是企業信息化的重要支撐技術,是礦山綜合自動化的基礎。機電一體化技術在煤礦采、掘、運裝備的應用和推廣,極大地提升了我國煤礦生產的綜合實力,為實現高效、安全、潔凈、結構優化的煤炭工業生產打下了扎實的基礎。