EBZ200R掘進機的研發

席亞兵 黃志懷 王文瑩

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110020）

0 引言

俄羅斯地區煤炭儲量占全球15.2%，全球第二。總產量4.41 億噸，全球第六。可見俄羅斯地區有很好的市場基礎，因此該國已成為我公司開拓海外市場的主要目標地區。經調研EBZ200 掘進機是俄羅斯常規進口機型，但是該機型的功能已經不能滿足俄羅斯的煤礦標準和使用習慣，因此開發一款符合俄羅斯工況的新機型EBZ200R 掘進機勢在必行。

1 俄羅斯地區掘進設備需求

通過市場調研發現，國內煤礦和俄羅斯煤礦在使用掘進設備過程中，無論在煤礦安全標準、客戶需求、還是使用習慣上都與國內有所區別，歸納總計如下： ①俄羅斯很多礦井都不是采用的皮帶運輸，而是采用梭車或者是有軌小車進行運輸，因此國內常規的第一運輸機就無法適應各地區的后配套運輸系統；②俄羅斯文字比較長，國內常規的操作箱一般是5.7 寸屏幕，無法正常顯示俄文；③根據俄羅斯的煤礦安全規程，截割頭的噴嘴要求使用柱狀噴嘴，同時還要滿足要求大于2.5MPa；④冷卻水系統的的壓力和流量不足時，設備需要自動停機；⑤掘進機要求實現遙控功能；⑥將掘進機的運行和監控數據傳輸到井上，進行觀測和監控；

2 EBZ200R 整機方案與專項功能

2.1 整體方案

該文以我司現有的EBZ200 掘進機為基礎，針對俄羅斯的特殊需求進行功能研發和部件設計，最終設計出一款俄羅斯專用的新機型EBZ200R 掘進機。整機方案和結構如圖1 所示。

EBZ200R 掘進機的設計，在保持原有設備基本功能不變的情況下，主要開發了如下的全新功能和部件，見表1，表1 列出了設計的新結構和及其作用。

圖1 EBZ200R 掘進機方案和結構圖

2.2 萬向擺尾結構第一運輸機的設計

現有掘進機中第一運輸機，都是剛性連接，出料口位置固定不變，無法改變出料口位置，截割的物料只能通過后面搭接的皮帶運輸機機往后運送，即后配套運輸系統單一，根本無法滿足俄羅斯特殊巷道多樣化的運輸需求。

根據俄羅斯后配套運輸系統的多樣性，設計一款可以實現出料口高低可調，左右可擺動，實現任意方向出料的萬向結構第一運輸機。它適應任意形式的后配套系統，結構如圖2 所示，圖2 顯示了該機構的關鍵部件和位置。

表1 新增專項功能

圖2 萬向結構第一運輸機示意圖

① 工作原理

當出料口需左右擺動時，通過控制掘進機操作臺對應的的液控手柄，使序號為7 的擺動油缸伸長和縮短，推動后面的擺動槽繞著序號8 的擺動銷軸進行轉動，從而實現了出料口左右擺動，該機擺尾范圍為±40°。當出料口需要上下調整時，通過控制掘進機操作臺對應的的液控手柄，使序號為5 的拉升油缸進行伸長和縮短，從而帶動后面的整體繞著序號為6 的轉動銷軸進行轉動，實現出料口的抬高和降低。

② 工作能力計算

根據運輸機運行阻力公式如公式（1）所示。

式中：q—溜槽中單位長度內煤質量；q—刮板鏈、刮板在槽中每1m 的質量，上、下槽中共計128kg/m；L—運輸機長度，取12m；W′—煤在槽中移動阻力系數，取1；β—運輸機傾斜角度平均為9.5°；f—刮板鏈在槽中移動阻力系數，單鏈，有導向取0.5；W—運輸機運輸阻力矩。

將設計參數代入公式（1），可得：

第一運輸機馬達提供給刮板鏈的牽引力F 如公式（2）所示。

式中：D—驅動鏈節圓，0.279m；M—馬達輸出扭矩。馬達輸出扭矩M的計算如公式（3）所示。

式中：ΔP—馬達進出油口壓力差；q—馬達排量；η—馬達容積效率；η—馬達機械效率。

將參數代入公式（3），可得：

因此，可得出結論：F>W，即牽引力大于阻力，滿足設計要求。

③ 關鍵部件強度分析

因萬向擺尾第一運輸機為此設備關鍵功能部件，受力復雜，因此對其進行強度校核十分必要。將簡化后的三維模型導入有限元分析軟件（ANSYS）中，進行強度分析，計算各個組焊件的最大應力。

為了便于對關鍵部件受力結果的分析和統計，整理結果見表2，通過數據結果分析，整個第一運輸機的設計強度安全可靠，滿足強度要求。

2.3 智能化操作臺的設計

傳統掘進機的操作臺在井下工作時，屏幕顯示的界面比較小，對個別國家語言的全部顯示，特別是俄文，文字較長，無法在一個頁面中顯示其基本的多條內容，甚至無法提供清晰明了的信息。同時伴隨著技術和產品的進步，掘進機正在向智能化的方向發展，特別是現在已經開始實現以無線遙控和遠程遙控的方式進行操作掘進機，普通的操作臺已經不能滿足掘進設備的現代化需求，因此開發了一款可以實現無線控的智能化操作臺，總體方案和功能如圖3 所示。

圖3 中的操作臺不但涵蓋了以前的基本功能，還滿足了俄羅斯的特殊需求：

①全面顯示屏，顯示屏設計由原來的5.7 寸改為10.4寸?？山鉀Q俄文字符較長，顯示字體小的問題。

②電磁換向多路閥、先導電磁閥箱、梭閥組件、先導手柄聯合作用，實現掘進設備的無線遙控和遠程操作功能，以及手動和遙控的切換。

③集成水監測單元，可以實時監測設備冷卻水的流量和壓力，同時與掘進設備實現水電聯動功能，即當操作臺的檢測裝置檢測到冷卻水的流量不足和水壓力過大、過小時，系統自動切斷截割電機，實現對截割設備的實時保護。

表2 總體仿真結果

2.4 全噴嘴的截割頭設計

所謂全噴嘴截割頭是指在截割頭的每一個截齒座上都要求安裝柱狀噴嘴。這是俄羅斯國家煤安新增的特殊要求。如圖4 所示，在重新設計截割頭時，將截割頭水套與截割頭體組焊在一起，內外兩層之間形成一個儲水空間，截齒座焊接在截割頭體外部，柱狀噴嘴安裝在截齒座上，截割頭體與截齒座的對應位置開有水孔。工作時截割頭上的每一個截齒都有噴霧從噴嘴中噴出。

圖3 智能化操作臺方案圖

圖4 全噴嘴截割頭

2.5 智能化水系統的設計

如圖5 所示，在掘進機水系統中增加壓力和流量傳感器、電磁換向閥、高壓水泵、液控水閥等關鍵零部件，通過優化水路，合理布局等實現智能化水系統。

水系統中的流量計和壓力傳感器可以將檢測數據實時顯示在屏幕上，同時還可以通過程序自動的控制截割電機。當檢測到流量或者壓力不滿足參數要求時，傳感器將信號反饋給掘進機主控器，系統會控制截割部自動停機，最大限度地防止電機和截齒的過熱，起到智能保護的作用。

在水系統的前端安裝有增壓水泵，通過給水增壓的方式解決來水壓力和流量不足帶來的噴霧效果不佳的問題，在整個水系統的控制和聯動過程中，全部采用遙控的控制和自我判斷的方式，實現了智能化。

2.6 增加Wi-Fi 功能

在掘進機護板的上方設置監控分站，監控分站具有Wi-Fi 無線收發功能，可以進行以太網口和CAN 口之間的數據轉換，還可以將掘進機的各種數據通過無線的方式傳遞到下一個分站，最后通過光纖將信號上傳到井上監控中心，用于監控整機的設備運行情況，方案如圖6 所示。

圖5 水系統線路圖

圖6 Wi-Fi 分站方案圖

掘進機的監控采用近距離無線Wi-Fi 傳輸和遠距離光纖傳輸方式相結合模式。主要參數如下：

①視頻信號傳輸延時≤5ms。②控制動作信號延時max ≤0.8s。③控制距離≥1000m，無線距離≤80m。

3 結語

該文結合目前國內EBZ200 機型和俄羅斯地區煤礦巷道的實際情況，成功研發出了滿足俄羅斯地區的EBZ200R 掘進機，并且已經出口到俄羅斯北鋼瓦爾庫塔煤礦進行實驗性應用，取得了良好的掘進效果。此外，對于其他機型來說，也可以通過在目前已有的機型基礎上，進行上述配置，提高設備綜合性能。此結構方案市場前景看好，將創造較大的經濟效益，提高核心競爭力。