刮板輸送機研究現狀

1、刮板輸送機研究現狀中國是世界第一產煤大國，也是煤炭消費大國。煤炭在我國能源產業(yè)和消費結構中占70左右，是我國首屈一指的戰(zhàn)略性能源，煤炭行業(yè)已經成為國民經濟高速發(fā)展的重要基礎1-2。根據2002年國土資源部全國礦產資源儲量通報公布的數據顯示：我國煤炭基礎儲量3340.88億噸，資源量6860.62億噸，居世界第一； 可開采儲量達2040億噸，居世界第二。這種形勢要求我國煤炭工業(yè)維持巨大的生產規(guī)模，煤炭工業(yè)的出路在于機械化、自動化、智能化。因此，服務于煤炭生產的煤礦機械設備，成為推進我國煤炭工業(yè)現代化和技術進步的關鍵產業(yè)。刮板輸送機是現時段煤礦機械中最關鍵的設備之一，是煤炭裝運的第一個環(huán)節(jié)，在很大

2、程度上決定了采煤工作面的生產能力和效率。因此， 研究高可靠性、高智能化的刮板輸送機顯得尤其重要。刮板輸送機簡介采煤機工作面刮板輸送機是由德國人于1940 年發(fā)明的；50 年代中期，與工作面刮板機配套的液壓支架在英國研制成功后，與滾筒采煤機一起，形成采、 支、運三機配套的綜采設備。綜采技術是長壁采煤系統(tǒng)、支護、采煤、裝載、運輸及整體推進等作業(yè)全部機械化的生產技術，國外通稱為長壁工作面全盤機械化( Full Mechanizanon of Lonswall Face) 。在近半個世紀的發(fā)展歷程中，它創(chuàng)造和保持了多項世界紀錄，是當今世界最先進的井下開采技術，近幾年在新技術革命影響的推動下，正發(fā)生著變

3、革性的進步。目前全自動化無人采煤工作面的綜采技術，是美、德等國科研工作的重要內容。綜采設備是綜采技術的核心部分，工作面刮板輸送機是關鍵的綜采設備之一。由于工作面刮板輸送機圓環(huán)鏈條和中部槽的可彎曲性，使得刮板機能適應底板起伏變化，可整體彎曲前移，因而成為不可替代的綜采輸送設備，并發(fā)展至今。刮板輸送機作為煤礦工作面運輸設備，不僅擔負著運煤的作用，而且作為采煤機的運行軌道、液壓支架的推移支點，還要懸掛工作面設備的電纜、水管等。所以， 刮板輸送機的可靠、穩(wěn)定、 高效運行將直接影響著礦井的生產能力和煤礦企業(yè)的經濟效益。刮板輸送機的工作原理是將刮板固定在鏈條上(組成刮板鏈)，作為牽引構件。 當機頭傳動部啟

4、動后，帶動機頭軸上的鏈輪旋轉，使刮板鏈循環(huán)運行帶動物料沿著溜槽移動，直至到機頭部卸載。刮板鏈繞過鏈輪作無級閉合循環(huán)運行，完成物料的輸送。國外刮板機發(fā)展現狀目前世界上生產刮板輸送機的國家主要有德國、美國、英國、澳大利亞、日本等，機型從輕型、中型到重型、超重型，裝機功率已達到3X750 kWo保護形式有彈性聯軸器、限矩型液力耦合器、雙速電機、調速型液力耦合器、軟啟動等。20世紀80年代后期以來，刮板輸送機技術發(fā)展可概括為“三大 （大運量、大運距、大功率）、二重（重型溜槽、重型鏈條）、一新（自動監(jiān)測新技術）”3。大運量：目前已出現運量4000 t/h以上的重型刮板輸送機。相應的溜槽寬度從730764

5、mmt曾大至U 9801100mm以上，鏈速從1m/s左右提高到1.31.4 m/s以上, 最高鏈速已達到1.78m/s。長運距：目前英、美、德等先進采煤國均已有超過 300m長的采煤工作面和 刮板輸送機，最長的刮板輸送機已超過 380m。鏈條布置形式也相應的從雙邊鏈 和單邊鏈過渡到以雙中鏈為主，已出現準 4652mm的鏈子。國外專家研究認為， 從設備投資、掘進通風、運營成本、維修搬家等因素綜合考慮，工作面以及刮板輸送機的長度在250m左右時，技術經濟指標最為合理。大功率：目前實際運行的刮板輸送機單臺電動機最大功率已超過700 kW，減速器傳動比i=1 : 40。供電電壓也從1000V左右升高

6、到2300V, 3300V, 4160V 或 5000V。長壽命與高可靠性：目前重型刮板輸送機整機過煤量已達 400600萬t （相當 于運行34a）,準300mm以上鏈條為200300萬t （相當于運行12a）,鏈輪為100 150萬t （相當于運行1*右），減速器設計壽命約為1250015000 h,接鏈環(huán)的疲 勞壽命已達到70000次以上。國內刮板機的發(fā)展現狀20世紀50年代SGD 11型、SGB 11型刮板輸送機在各大煤礦企業(yè)被廣泛使用， 但因不能橫向彎曲自移，需在工作面推進后，將其拆卸搬運至下一工作位置后再重新安裝方能使用，不但耗時長，而且搬運勞動強度大；另外，還存在自身強度不足、功

7、率較小等問題，致使超載事故頻頻發(fā)生。隨后，SGD 11型、 SGB 11型刮板輸送機逐步被SGD 20型和SGS 30型刮板輸送機取代，工作面的生產能力有所提高。但該機型仍不能實現彎曲自移，還需人力搬運，而且該刮板輸送機與煤壁的距離較遠，需要人力攉煤。1964年我國自行設計和研制出第一臺SGW 44型圓環(huán)鏈可彎曲刮板輸送機，實現了工作面的連續(xù)輸煤。20世紀70年代， 隨著采煤工作面長度不斷增加，工作面產量亦日益提升，為普遍適應煤礦大力發(fā)展機械化采煤的需求，煤機企業(yè)投入更大力量研究和開發(fā)新型的刮板運輸機，先后研制出SGW 150， SGW 180、 250等產品。八九十年代，我國煤機行業(yè)不斷學習

8、和吸收國外（比如JOY公司）的先進設計思想并改進制造工藝，使得我國刮 板輸送機的技術水平大幅度提高。例如,山西煤礦機械制造有限責任公司自主研究開發(fā)的SGZ1250 /2X200S刮板輸送機，設計長度320m、輸送量3750t /h;中煤張家口煤礦機械有限責任公 司自主研究開發(fā)的1350系列刮板輸送機，設計長度400m,輸送量4000t /h;石家 莊煤礦機械有限責任公司自主研究開發(fā)的SGZ1000 /1400型刮板輸送機，設計長度250m,輸送量2500t/h。我國自主研發(fā)的各類輕型、中型、重型及超重型刮板輸送機已經普遍應用于國內井下工作面，擔負著煤炭輸送的重任，徹底改變了最初我國刮板輸送機依

9、賴進口的被動局面3-6。刮板輸送機結構分類目前， 煤礦用刮板輸送機的類型很多，按牽引鏈的結構形式分為雙邊鏈、雙中鏈和單鏈3種。雙邊鏈是目前國外使用得最廣泛的結構形式，與單鏈相比其優(yōu)點是預張力較低，能承受較大的張力，鏈條充滿上下溜槽兩邊的槽幫鏈道并可自行清掃鏈道積煤；缺點是溜槽磨損較大、兩條鏈子受力不均、在鏈輪處易跳鏈、彎曲性能差、斷鏈事故多等。其特點是將兩條相同直徑的鏈條并列布置在溜槽中心，與雙邊鏈相比，這種結構形式的鏈子受力均勻，彎曲性能好，使用性能也較好。其特點是結構簡單、事故少、受力均勻、運行平穩(wěn)、摩擦阻力小、溜槽利用率高和彎曲性能好，在輸送機上不易出現堵塞；缺點是預張力較大。雙邊鏈刮板

10、輸送機雙邊鏈是目前國外使用得最廣泛的結構形式，與單鏈相比其優(yōu)點是預張力較低， 能承受較大的張力，鏈條充滿上下溜槽兩邊的槽幫鏈道并可自行清掃鏈道積煤；缺點是溜槽磨損較大、兩條鏈子受力不均、在鏈輪處易跳鏈、彎曲性能差、斷鏈事故多等。雙中鏈刮板輸送機其特點是將兩條相同直徑的鏈條并列布置在溜槽中心，與雙邊鏈相比，這種結構形式的鏈子受力均勻，彎曲性能好，使用性能也較好。單鏈刮板輸送機其特點是結構簡單、事故少、受力均勻、運行平穩(wěn)、摩擦阻力小、溜槽利用率高和彎曲性能好，在輸送機上不易出現堵塞；缺點是預張力較大。刮板輸送機技術研究現狀刮板輸送機是現時段煤礦機械中最關鍵的設備之一，是煤炭裝運的第一個環(huán)節(jié)， 在很

11、大程度上決定了采煤工作面的生產能力和效率。因此， 對刮板輸送機的研究是保證煤礦高產高效的重要前提。監(jiān)測技術研究現狀趙晉嶺 7分析了刮板輸送機在高產高效礦井中易產生的故障位置和現象，提出了采用刮板輸送機故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現故障地點并進行維修的方法，避免了因維修不及時造成的生產損失，保證了采煤工藝的連續(xù)、安全和高效；同樣地，席慶祥8建立了以減速器軸承溫度，潤滑油油溫、油位，冷卻水流量、壓力，電機繞組溫度、軸承溫度等參數的基于PLC 的綜采刮板輸送機的在線監(jiān)測系統(tǒng)，為高產高效的自動化作業(yè)提供了基礎；于林9針對刮板輸送機斷鏈監(jiān)測問題， 設計了一款專門監(jiān)測斷鏈的刮板檢測傳感器，用于監(jiān)測上鏈和底鏈，

12、測試運行狀態(tài)良好；朱正中10研究了刮板輸送機鏈條張力監(jiān)測的理論和方法，為實現刮板輸送機鏈條狀態(tài)的實時監(jiān)測提供理論依據；王建國11設計了錯鏈故障監(jiān)測裝置，通過刮板機位移的同步性，監(jiān)測、計算其運行狀況，實現故障的提示和報警；中國礦業(yè)大學機電工程學院的張麗平、李威等12人，針對刮板輸送機的傳動系統(tǒng)設計了一套專門針對刮板輸送機傳動部的監(jiān)測系統(tǒng)，主要實現了對傳動部的電動機、減速器各個部件的實時監(jiān)測；趙四海、周小意等13人，運用工業(yè)組態(tài)軟件 IFIX 作為監(jiān)控實驗平臺，結合PLC 技術，對刮板輸送機電動機溫度，減速器的高低速軸軸溫及大小油池油溫，油位進行數據采集、信號處理、傳輸、通訊和實時顯示；等等?？刂?/p>

13、技術研究現狀毛君14利用PID 模糊控制器，設計了一種刮板輸送機鏈條張力的自動控制系統(tǒng)，具有較好的適用性和穩(wěn)定性；高小強15研究了刮板輸送機生產過程中的負載特性，將模糊集合和PID 控制思想應該到調速控制系統(tǒng)中，并采用回歸神經網絡在線調整PID 控制器的參數，確保了輸送機單位長度的載煤量，降低了能源損耗和設備磨損；陳君16設計了一個刮板輸送機鏈條動態(tài)張力控制系統(tǒng)，根據載荷檢測裝置測量的鏈條張力值來控制張緊油缸的伸縮量，實現了鏈條張緊力隨負載變化的自動控制功能，降低了鏈輪、鏈條的磨損程度和故障率；龔尚福17提出了一種基于滑模控制的刮板輸送機鏈條張力控制方法來改善張力控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，仿真結果表

14、明動態(tài)特性好、魯棒性和抗干擾能力強；陳衛(wèi)兵 18、劉世峰19等分析了綜采工作面刮板輸送機上竄下滑的原因，各自提出了刮板輸送機上竄下滑的控制和調整方法；周書穎20研究了刮板輸送機的負載特性，在雙電機主從控制方式的基礎之上引入模糊控制規(guī)則，以刮板鏈運行速度為控制對象，以單位長度載煤量為控制目標，實現了對刮板輸送機載荷及速度的穩(wěn)定控制；等等。軟啟動技術研究現狀刮板輸送機在與采煤機配套工作過程中，其裝煤量隨著采煤機的采煤速度和行進方向不斷變化，范圍從空載到滿載甚至超載，且持續(xù)時間無規(guī)律。在極不穩(wěn)定的負荷狀態(tài)下，刮板輸送機經常發(fā)生卡鏈、斷鏈、脫齒等故障，且經常在重載或超載下起動，另外， 大功率刮板輸送機

15、普遍采用多機驅動方式，由于機頭和機尾驅動部電動機、鏈條等結構及參數差異，導致多機驅動系統(tǒng)中各電動機功率分配失衡，負載波動，這些都對電動機造成一定的損害，嚴重時甚至燒毀電動機。國內外均采用軟起動方式的目的是為了減少刮板輸送機起動過程中的動張力， 并實現運行過程中多機負載均衡。軟啟動裝置以閥控充液式液力偶合器(TTT) 、CST、變頻器為主。TTT是通過PLC來采集偶合器內的液體溫度、液位以及主軸轉速等信息，將所采集的信息處理后對電液控制閥組發(fā)出相應的指令，來控制偶合器內的充液量，實現電動機無負載啟動與刮板輸送機平穩(wěn)軟啟動等功能21；李杰22改進了液力耦合器的結構，解決了其更換過程中拆卸困難的問題

16、；劉偉23針對當前刮板輸送機存在電機功率分配不均的問題，推導和繪制了電機與耦合器的聯合特性曲線，為刮板輸送機驅動設備的配置和相關軟啟動產品的開發(fā)提供理論參考。CST是一個集減速、調速、離合、電控、冷卻、運行監(jiān)測為一體的裝置，在啟動時，可以有效的減少對電網的沖擊以及消除機械沖擊24。侯旭瑋25研究了CST的氣動性能，提出了使用PID閉環(huán)控制優(yōu)化系統(tǒng)控制性能；何鴻志26采用申 級調節(jié)速度控制的方法分析了正常狀態(tài)下 CST實際運行曲線；王亞濱27利用 AMESim仿真軟件對刮板輸送機CST轉速與壓力2級負反饋PID閉環(huán)控制系統(tǒng)進 行建模與仿真，直觀反映了 CST控制系統(tǒng)工作時白控制特性，為CS儂啟動

17、性能 的預測和PID電液伺服控制系統(tǒng)的設計提供了理論依據；等等。變頻器是一種以通過改變電動機工作頻率來達到節(jié)能調速目的的技術，并且還具有過載、過流等保護功能，是目前最理想的軟啟動裝置，目前最大的變頻電機功率已達1200Kw。黃開林28針對煤礦刮板輸送機維護工作量大，且不可長時間在低速模式下工作等現狀，提出了變頻器在刮板機上的應用技術與方案，通過對刮板輸送機電動機電流的檢測，實現了刮板輸送機機頭機尾動態(tài)功率平衡，降低了電動機、鏈條與刮板的損壞率；賈清華29開發(fā)了一種YJVFT1-450型礦用刮 板輸送機變頻電動機一體機，具有簡化系統(tǒng)設備、提高生產效率、減少生產成本等優(yōu)點，提高了生產效率；等等。液

18、壓系統(tǒng)技術研究現狀李金剛 30分析了并明確了綜采工作面采煤機和刮板輸送機配套時應主要的問題，為研究綜采技術提供理論依據；趙四海31設計了一種液壓驅動刮板輸送機， 做到了對刮板輸送機不同工況的速度和整體運行狀態(tài)實施監(jiān)測和控制，提高了刮板輸送機的自動化程度；李隆32、張庚云33等詳細介紹了刮板輸送機液壓系統(tǒng)的工作原理、結構組成以及使用過程中的注意事項，為我們研究液壓裝置提供了參考；魏強34針對我國煤礦刮板輸送機運轉穩(wěn)定性的影響因素，從選型、安裝、 日常操作、維護管理等方面展開分析，提出了保障刮板輸送機運轉穩(wěn)定的合理建議和標準；等等。另外， 刮板機的受力和動態(tài)特性也進行了深入的研究：Makapor.

19、M.H 博士研究了刮板輸送機驅動裝置的非線性振動特性，并提出了關于降低振動和提高驅動裝置的可靠性方面的建議35； Dolipski 研究了刮板輸送機在液力聯軸器驅動系統(tǒng)下的啟動動力學特性峋；David H.Wauge針對刮板輸送機上采用夜里耦合器和可控滑差 CST 驅動兩種啟動方式，在論文中分析了啟動、異常載荷等工況下的刮板機動態(tài)性能37。中煤張煤機公司李國平38基于多體動力學理論建立輸送機的動力學模型，對刮板輸送機滿載工況進行了仿真分析，提出了基于系統(tǒng)級建模和動態(tài)仿真的刮板輸送機動力學設計方法；遼寧工程技術大學毛君39對刮板輸送機運行過程中鏈條在不同工況下的動力學特征進行了研究，并分析了不同

20、工況下動載荷的影響因素；太原理工大學劉廣鵬40利用 ADAMS 對鏈傳動系統(tǒng)進行了仿真計算，指出了鏈條和鏈輪之間接觸力的規(guī)律；太原理工大學張志雄41研究了刮板輸送機振動特性，得出了刮板輸送機在不同工況下的固有頻率以及前6階主振型圖；中國礦業(yè)大學（北京）孟國營教授對刮板輸送機動態(tài)特性、工況監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，并與中煤張家口煤礦機械有限責任公司合作開發(fā)了13PD、14PD 型刮板輸送機監(jiān)測裝置。當前研究的不足與本項目的提出從目前的研究現狀來看，盡管國內已對刮板輸送機開展了大量的技術研發(fā)和現場應用，是我國的煤炭開采工作得到了質的飛越，但整體上而言，一些核心技術仍然掌握在美國、德國、 南非等采礦業(yè)發(fā)達

21、的國家手里。我國的刮板輸送機技術并未達到最優(yōu)，普遍存在傳動鏈復雜、重量過大、系統(tǒng)可靠性較低、智能化程度化較低等問題。例如， 其驅動模式主要是采用礦用隔爆型三相異步電動機直接啟動，借助機械軟啟動（CST、 TTT 等） 。在起動時電機的瞬間電流是額定電流的 7 倍多，即使是中壓3300V 的電壓對電網的沖擊也很大。這種模式的占用空間大、能效低，安全性差，在配置驅動設備時，需要大馬拉小車，屬于被淘汰模式。少數用戶開始采用異步電機變頻調速驅動模式，對比傳統(tǒng)模式，其能效水平有所提高。即使這種模式，其起動電流也要是額定電流的1.5倍以上，也會導致電機發(fā)熱嚴重，從而影響電機的使用壽命。國內煤礦刮板機用變頻

22、驅動系統(tǒng)主要采用德國保越公司專用進口設備，保越公司根據中國采煤機發(fā)展要求，研發(fā)了系列異步防爆變頻一體機，功率范圍覆蓋 400kW-1200kW,價格較高。國內兗礦集團 2011 年進行了兩套500kW 異步變頻驅動刮板機試運行、上海申地防爆變頻最大功率為630kW， 電壓等級為1140V、 西北駿馬電機公司在研項目為1000kW 電機變頻一體機用于刮板機驅動、撫順煤機電機公司在2011 年北京國際礦用設備展會上展出了一款400kW 電機變頻一體機。由于籠型異步電機的先天不足，該驅動模式需要一個復雜笨重的機械變速機構，仍然存在效率不夠高，扭矩特性不好的缺點，在刮板機類負載中需要放大電機功率的需求

23、，屬于待改進的模式?；谟来磐诫姍C驅動的刮板機系統(tǒng)，具有體積小巧緊湊，啟動功率大，扭矩特性好、容易實現大功率化的特點。特別是通過永磁同步電機的合理設計，可以實現低速直連模式，極大地化簡變頻驅動的變速機構，實現小巧、高效、高性能、高可靠性的驅動系統(tǒng)。在智能化控制技術、礦山物聯網技術的支撐下，突破高可靠智能型刮板輸送機關鍵技術，開發(fā)新一代應用裝備具有重要的意義。新一代永磁同步變頻驅動刮板機系統(tǒng)在國內外還處于起步階段，目前小功率系統(tǒng)的開發(fā)取得了一定進展。北京百正創(chuàng)源科技有限公司于2015 年相繼開發(fā)了400800kW 隔爆變頻直驅永磁驅動系統(tǒng)、1000kW/1500rpm 刮板輸送機用永磁驅動系統(tǒng)

24、，并正在開發(fā)1000kW 半直驅集成永磁電機驅動系統(tǒng)。智能高效永磁刮板機驅動系統(tǒng)是一種高效率、高度集成的智能化的應用于刮板輸送機驅動的新一代產品，其相關技術以其優(yōu)良的力能特性和高可靠性、高效率已經在其他領域得到了印證。在煤礦采掘運領域也已經開始應用，并在2015年末500kW以上永磁同步驅動系統(tǒng)已經開始在招投標中大量出現。隨著低能耗、高可靠性要求的提高，煤礦高效智能輸送系統(tǒng)已經成為產業(yè)技術方向，必將帶來相關產品和技術的大量需求和飛躍發(fā)展。開發(fā)高可靠性高效率的智能高效永磁刮板機驅動系統(tǒng)是十分必要和緊迫的。4 參考文獻高云飛, 靳建順. 煤礦用刮板輸送機質量狀況分析J. 山西煤炭, 2000, 2

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