刮板成套輸送設備發展現狀與展望*

汪連成

(1.山西煤礦機械制造股份有限公司， 太原 030031；2.煤炭綜采裝備山西省重點實驗室， 太原 030031)

0 引言

刮板輸送機作為煤炭綜采主要的輸送裝備，其國產化歷程包括初期試制、發展起步階段(1950—1973年)，成套引進、學習吸收階段(1974—1995年)，技術引進、拓展研發階段(1996—2005年)，自主創新、邁向高端階段(2006年—)4個階段。特別是2006年以來，隨著煤炭工業向集約化轉型，張家口煤機、西北奔牛、山西煤機等國內主要刮板輸送機生產廠家，在長運距、高功率、大運量、高可靠性、長壽命及智能化方向大力創新實踐，取得了系列成果。

針對刮板輸送機的發展，楊曉東[1]、李國平[2]等提出刮板輸送機的智能化發展是大勢所趨，建立完善的智能監測系統是其發展重點。索志文[3]總結了刮板輸送機驅動方式的發展方向，指出變頻驅動設備成為主流。王俊濤[4]等結合人工智能、大數據等技術的發展，探討了刮板輸送機的智能化創新方向。孟國營[5]、趙巧芝[5]等重點指出發展新材料，提高核心元部件制造水平，開發狀態監測、故障診斷及預知性維護技術，建設測試試驗平臺是當下發展的關鍵。劉全喜、王波、郭俊武、梁志斌[7-9]等詳細闡述了刮板輸送機智能控制系統的應用現狀；侯鵬超[10]根據刮板輸送機各元部件的技術現狀提出了其技術發展趨勢。

當下國產刮板成套運輸設備的總體設計制造及智能化程度已經達到國際先進水平，部分技術領先，可完全取代進口，但煤炭產業的發展對刮板輸送機提出了更高要求。

1 國內外刮板輸送機發展現狀

1) 國產刮板成套輸送設備規格已超過國外同類水平。

(1) 品種齊全，覆蓋面寬。成套設備可適應采高最低0.8 m，最高8.8 m(一次采全高)以及20 m(放頂煤)等各種機械化采煤工作面；2018年神東上灣礦在國內外首次實現8.8 m厚煤層一次采全高智能化開采；兗礦集團金雞灘礦首次實現7 m超大采高，總裝功率12 000 kW綜放成套智能刮板輸送設備的示范應用。

(2) 產品規格大，單工作面產量高。國產刮板輸送機最大裝機功率3×1 600 kW，最大單機功率 2 000 kW，最長運距360 m，中部槽最大規格1 388(1 400)×2 400 mm，配套最大鏈條Φ60，最大運量6 000 t/h；轉載輸送機最大裝機功率1 400 kW，最大槽寬1 800 mm，最大運量6 500 t/h；破碎機最大裝機功率1 200 kW，最大破碎能力7 000 t/h。自移機尾適應最大帶寬2.0 m帶式輸送機，一次推進最大行程可達10 m，單工作面產量突破20 Mt。

2) 國產刮板成套輸送設備整體性能和使用壽命顯著提升，部分關鍵元部件還需進口。

(1) 整機無大修過煤量已突破20 Mt，部分關鍵部件如中部槽等過煤量已突破40 Mt，相比 “十一五”，產品使用壽命提升一倍。

(2) 中低端產品自制率100%，可完全實現自我配套。但是高端產品在核心零部件、關鍵材料、先進工藝與產業技術等方面受到限制，包括高強度耐磨板等原材料以及高端軸承，密封等基礎元器件還需進口；部分配套產品包括保越變頻一體機、VOITH耦合器及限矩器、SEW減速器、THIELE鏈條等在國內仍有一定市場。

3) 國產刮板成套輸送設備單機自動化控制水平接近國外，但是協同控制能力與國外還存在明顯差距。

(1) 國產刮板輸送機單機自動化控制水平已經接近國外，一方面得益于近年機、光、電、氣、液、傳感、信息技術在煤機裝備上的快速發展與應用。另一方面歐美發達國家近20年沒有大力發展智能刮板輸送機。

(2) 國內外刮板輸送設備目前均已實現：遠程控制、一鍵啟停；數據采集、顯示及傳輸；故障預警；工作面可視化；4G無線通信；基于變頻驅動技術軟起、功率平衡、低速檢修；開機緊鏈、停機松鏈；鏈輪自動注油等自動化功能。但是由于3D精密物探、煤巖識別等關鍵技術難題未有突破性進展，目前均未實現真正的智能化開采。

(3) 國內外在輸送機自動調速策略上均采用多參數控制加分級調速方法。常用參數有電動機轉矩、電流等，只能間接反映輸送機實時裝煤量，而目前準確直接檢測輸送機實時裝煤量困難重重，輸送機自動高效調速國內外暫未實現。

(4) 國產裝備與技術未能相互融合形成族群體系，導致監控系統未能完全融合到工作面信息系統中，單機故障診斷、多機協調運行等功能暫未實現。

2 國產刮板輸送機未來發展方向

刮板輸送機作為采煤工作面主要運輸設備，其機器人化是必然趨勢和發展方向。機器人化刮板輸送機不僅要實現單機智能化無人操作，還要具備與工作面采煤機器人、支護機器人等機群的自協同調控。

如圖1所示，基于模塊集成化的智能控制系統是實現刮板輸送機機器人化的關鍵，主要包括4層硬件和3個功能模塊。4層硬件包括:具有感知功能的傳感器層；具有數據接收、控制分析及指發送令功能的控制器層；確保設備功能發揮的執行層；具有專用功能的分析軟件層。3個功能模塊包括智能運行模塊、在線故障診斷模塊、壽命評估模塊。

3 如何實現刮板輸送機機器人化，和世界高水平接軌

煤炭作為我國的主體基礎能源，將長久保持，綜合機械化開采依然是煤炭主要的開采技術。未來國產刮板輸送機創新和發展方向包括以下幾方面：

3.1 拓展機型種類

一方面要開發適應傾斜和急傾斜煤層、薄和極薄煤層等特殊工況的輸送設備；另一方面，要繼續推進煤炭工業集約化發展，打造覆蓋不同煤層厚度、適用各種開采工況與工藝的高端成套設備，如超大采高成套設備、綠色充填采礦運輸設備等。

圖1 智能控制系統

3.2 提升性能水平

一方面設備可靠性、改進適宜性、優化系統性、提高使用壽命等技術研究仍是行業創新發展的基礎和核心。另一方面，為了適應自動化開采要求，還需在輸送機位姿感知、協同控制、自主運行等自動化控制技術領域進一步創新，以實現真正意義上的刮板輸送機機器人的自主決策和智能運行。

3.2.1 強化基礎創新，提升部件使用性能

1) 研究鏈輪和鏈條動態嚙合原理，揭示嚙合動態特性，優化嚙合結構及性能；研究中部槽彎曲控制理論，優化槽間可彎曲角度控制指標；研究中部槽及鏈傳動系統等磨損機理和失效評判標準，為新材料開發和性能提升提供理論依據。

2) 研發新型槽幫鋼、高強耐磨板、鏈輪體、破碎錘頭等新材料,提升如機電、密封、液壓元件、電氣元件等關鍵部件性能及應用水平，解決包括中部槽高強度焊接、鏈輪組件漏油、破碎錘頭可靠鎖緊等行業共性難題,進一步提高設備可靠性和使用壽命；積極推進關鍵結構輕量化，開展輕量化結構設計，降低設備總體成本；推進輕量化材料替代，進行高強度新興合成材料在輸送設備上的應用嘗試,以減重降耗。

3) 研究開發綠色高效驅動技術。特別是變頻分級調速，永磁半直驅、直驅，鏈張力實時監測和分級調節等技術。

3.2.2 強化感知創新，實現單機自主運行

1) 利用虛擬現實、三維可視化、互聯網+開采感知技術，開發抗干擾能力強、可靠性高、數據傳輸準確、結構簡單、功耗低的傳感器及其植入技術，同時架構工作面數據5G高效實時傳輸網絡系統。

2) 研究刮板機姿態感知技術，開發刮板機姿態直接感知系統。以刮板機作為三機姿態感知、定位基點具有絕對優勢，研究專用傳感器檢測輸送設備走向、傾向、水平、垂直等姿態，并以此確定采機位置、導向、截割軌跡和支架推移量。

3) 研究刮板機運行狀態感知技術，主要包括機械部件失效指標感知、動力部件運行指標感知以及包括煤流監測、斷鏈檢測等輔助功能實現等。

3.2.3 強化協同創新，實現系統智能聯動

1) 解決多源數據異構融合難題。統一數據接口，打通各信息交互融合通道，同時開發大數據分析、故障診斷、專家管理、全壽命周期管理等系列應用平臺，實現由感知數據向實時分析、特征提取、歷史對比、融合處理、推理評價等更高層次發展。

2) 提升刮板“小三機”系統性，將刮板輸送機、轉載輸送機、破碎機及自移機尾作為整體，結合采煤工藝和工作邏輯，實現一體化控制；探索結合堆煤量調整設備啟動先后順序和時間間隔，并實現智能選擇。

3) 開展工作面 “大三機”協同應用實踐。從三機設備功能、原理、特點出發，構建統一的數據管理、分析平臺，除直接獲取、存儲刮板機工況數據外，并能夠與采煤機控制、支架電液控語音通信、供電供液、視頻監控、人員定位等系統進行實時數據和操作指令的交互，并通過設定邏輯進行三機系統間互聯協同，以實現自動截割、跟機移架、運輸系統智能運行、遠程視頻監控、設備遠程集控、系統協同保護、故障報警停機等功能。

4 結論

目前國產刮板成套輸送設備發展與創新已取得了巨大成功，特別是隨著3×1 600 kW刮板機在 8.8 m 一次采全高工作面、單驅2 000 kW刮板機在超大采高綜放工作面投入使用，我國刮板輸送設備重型化已經發揮到了極致。

但是下一步更是任重道遠，刮板輸送機行業需要在可靠、智能、綠色、低碳等新功能、高性能實現方面持續加強攻關，特別是要回歸到基礎理論研究、可靠性提升上來，最終將國產刮板輸送機打造成原理簡單、技術含量高、專屬定制、節能環保、智能化程度高的高科技機器人產品，更好地服務于未來的智慧礦山。