煤礦機械裝備實驗室建設實踐

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摘要：企業實驗室是企業技術創新的主體，煤礦機械裝備綜合實驗室是國家發改委在煤炭行業布局創新主體的內容之一。本文從行業背景、目標定位出發，重點研究探討了煤礦機械裝備綜合實驗室建設關鍵技術，模擬工況環境設計，測試實驗技術，數據處理平臺構建以及運營管理模式，提出了綜采成套裝備的性能、機械、力學和控制實驗平臺建設方案并完成實施，經實踐達到了預期效果，對進行新一代自動化、智能化工作面成套設備技術開發發揮了重要作用。

關鍵詞：煤礦機械；企業實驗室；模擬工況環境；數據處理平臺

隨著采煤工業高速發展，煤機裝備制造業作為高新技術的載體和高新技術轉化為煤炭先進生產力的橋梁空前活躍，我國煤機采掘裝備業近年來發展迅速，產品等級更新較快，就采煤機、刮板機、掘進機、液壓支架等設備的最大裝機功率、最大支撐阻力和生產規模而言，已達到或超過國外先進煤機企業產品水平。但就整機綜合性能、可靠性、自動化程度、關鍵元部件性能等方面與國外DBT、JOY、Eickhoff等先進煤機企業的產品仍有較大差距[1-5]。同時，因缺少試驗、檢測手段，國內采掘設備完成研制后，只能直接到用戶處進行井下試驗，出現問題不僅解決困難，同時給用戶和制造企業造成很大損失，這在很大程度上制約了我國采掘機械向高端產品方向的發展。國家發改委批準建設的煤礦機械裝備綜合實驗室為這些問題的解決提供了平臺，本文重點研究探討了該實驗室建設目標定位，關鍵技術，模擬工況環境設計，測試實驗技術，數據處理平臺構建以及運營管理模式，提出了綜采成套裝備的性能、機械、力學和控制實驗平臺建設方案并完成實施，闡述了建設理念與實現過程。

1煤礦機械裝備綜合實驗室目標定位

縱觀國內外煤礦采掘機械試驗設備，我國液壓支架試驗設備已達到國際先進水平，但采煤機、掘進機和刮板輸送機整機試驗系統仍未建立。德國、英國、美國等國家的煤礦機械產品質量之所以穩定，與這些國家有先進和完備的質量、性能檢測手段密不可分。前蘇聯對采掘機械的試驗有國家標準，對產品出廠和新產品研發、定型有明確的規定，經過如此嚴格的質量檢查，產品質量必然得到保證。我們從美國、德國引進的連續采煤機、掘進機和綜采成套設備，幾十年來，質量一直穩定，得到我國用戶的肯定，這也由于這些國家有先進的試驗手段有關。煤礦機械裝備綜合實驗室建設目標定位是：以企業為主體、市場為導向、產學研相結合為基礎，搭建創新平臺，解決煤礦采掘裝備領域研發實驗手段落后、基礎研究與工程技術開發之間脫節問題，突破行業普遍存在的“理論無支撐、設計靠經驗、驗證靠現場、整體配套不協調、各單機發展不均衡”等技術瓶頸，推動采掘裝備向“自動化、智能化、無人化”方向發展。建立產學研用有機結合、科研與應用相互促進的長效機制，形成具有行業領先水平、結構合理的創新平臺，實現技術開發，生產試制及科研成果產業化功能，培育和掌握一批戰略高技術和前沿技術，搶占高技術產業發展的制高點，為我國煤炭高效安全采掘提供裝備技術保障和支持。

2煤礦機械裝備綜合實驗室建設關鍵技術

該實驗室建設在張家口裝備產業園區，是目前世界最大、國內煤機裝備制造業首家煤礦采掘機械裝備綜合實驗室，總建筑面積17301m2，新增測試、試驗設備(儀器)104臺（套),包括模擬煤壁作業實驗平臺，液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、刨煤機等工作面設備，以及試驗檢測儀器、數據分析系統等。項目總投資2.5億元，中央預算內投資1994萬元。實驗室共計采用585個傳感器、910測試測點、295個采集模塊。為保證實驗室建設的先進性，在建設初期，項目組在考察了GE全球研發中心、波蘭采礦技術研究院(KO-MAG)、德國埃森研究中心（DMT）、柏林工業大學等機構實驗室建設情況基礎上，形成了建設方案，組織行業內專家論證后，發現煤礦機械裝備綜合實驗室建設的關鍵難點有三點：①如何針對礦井不同煤層、巖層的硬度、厚度及地質屬性，構建出能夠以1：1的比例直接模擬井下實際工礦的條件；②如何選擇、設計陪試設備；③測控數據采集與處理系統及軟件平臺設計。本節重點研究闡述解決上述問題的關鍵技術。

2.1模擬工況條件設計

模擬工況條件建設關鍵是設計出模擬煤壁，項目組以現代材料測試手段為基礎，通過實驗測量及理論分析，獲得在力學破壞因素作用下模擬煤壁混凝土細觀結構的改變量及相對應的宏觀性能指標變化量，結合損傷力學的理論，建立以煤為粗、細骨料的不同強度等級混凝土配合比設計模型，以此來研究以煤為粗、細骨料的煤壁用混凝土的力學破壞過程，實現在荷載因素下結構破壞過程和非荷載作用下的結構層細微豎向和橫向裂隙形成等問題。

2.1.1模擬煤壁設計

通過理論分析與試驗研究兩個方面的工作，揭示了影響以煤為 圖2主實驗區陪試設備粗、細骨料的混凝土材料力學性能的主要物理、化學過程，采取人為改變材料細（微）觀構成的措施，形成不同的節理和層理結構。在完成模擬煤壁混凝土配合比設計研究，模擬煤壁結構層人工微裂隙設計研究以及模擬煤壁澆筑施工工藝方法研究的基礎上，設計了采煤機工作面和刨煤機工作面兩套試驗模擬系統，采煤機實驗系統模擬煤壁長度×寬度×高度為70m×4m×3m，刨煤機實驗系統模擬煤壁長度×寬度×高度為70m×2m×1.5m。模擬煤壁材料主要以煤炭為主，采用兩種硬度進行澆筑，其中35米硬度為F3，另外35米硬度為F4，澆筑過程采用每300mm澆筑一層，待凝固后布置三向內應力傳感器。

2.1.2模擬煤壁內應力測量

煤壁內應力測試目的是可測量煤壁澆筑后內應力變化；測量不同煤壁硬度內應力的對應關系；在截割過程中測量采煤機滾筒對煤壁的沖擊力，測量刨煤機在刨削煤巖過程中的刨頭對煤壁的沖擊力。采用預埋壓力塊的方式進行內應力測量，采煤機工作面和刨煤機工作面分別預布置28個點，傳感器是150mm×150mm×150mm的三向測力傳感器，考慮煤壁澆筑時每300mm澆筑一層，高度方向上采煤機工作面分別在0.9m、2.1m水平面上布置，充分考慮采煤機滾筒直徑在1.8m以上，截割在0.8m，單一截割在同一層上不能同時破壞兩個測試壓力塊；刨煤機工作面分別在0.6m、1.2m水平面上布置，充分考慮刨煤機刨削深度，單一截割在同一層上不能同時破壞兩個測試壓力傳感器。煤壁內應力傳感器布置圖如圖，黑色代表頂層傳感器，白色代表底層傳感器，在采煤機和刨煤機工作面假煤壁共布置傳感器56個，均分兩層布置，每層數量14個，考慮到布置信號方便，出線位置選擇在煤壁通風道接縫處。

2.2陪試設備配套

主實驗區配置了陪試設備、綜合測試設備、綜合監控設備、變頻及供配電設備、輔助設備等。可提供10000V、3300V、1140V、380V供電電源，液壓用乳化液和噴霧冷卻水，滿足了采掘裝備模擬工況綜合實驗要求。陪試設備主要由采煤機、液壓支架、刮板輸送機和轉載機組成。采煤機根據主實驗區基礎建設情況（煤壁厚度為3m）和國內該煤層實際采煤機的選型情況，選用MG500/1130-WD型采煤機；液壓支架根據煤壁的高度，結合國內目前該煤層厚度主流液壓支架工作阻力情況，選用ZY9000/15/28D型液壓支架。由于在試驗現場無法真實再現頂板壓力，為使液壓支架在推移刮板輸送機時保持固定，不后移，在每臺液壓支架后端配置拉移油缸，與試驗平臺底板固定，確保液壓支架在推溜時不后撤，同時，在成套設備向前推進后，也能夠將所有設備拉回至原來位置；刮板輸送機根據采煤機的生產能力，選用SGZ1000/1050型刮板輸送機；轉載機選用SZZ1000/400型轉載機（圖2）。

2.3控制系統設計

綜采工作面成套設備試驗平臺除了試驗設備外，還配備了設備控制和監測系統，主要包括液壓支架電液控制系統、采煤機遠程控制系統、刮板輸送機監控系統、工作面語音通訊系統、工作面自動化集中控制系統等。其中液壓支架電液控制系統主要是用來控制液壓支架的自動化動作，包括自動拉架、自動推溜、自動移架，同時還監測支架工況，與工作面集中控制系統通訊，接收工作面集中控制系統的控制命令，傳輸液壓支架的工況數據至工作面集中控制系統。采煤機遠程控制系統主要是遠程控制采煤機的各種動作，與工作面集中控制系統通訊，上傳采煤機工況運行參數，接收工作面集中控制系統命令等。刮板輸送機監控系統主要是采集和監測刮板輸送機運行工況參數，并將刮板輸送機運行數據傳輸給工作面集中控制系統。工作面語音通訊系統主要用于語音通訊、啟停刮板輸送機和工作面急停閉鎖。工作面自動化集中控制系統主要是對工作面成套設備進行監測和遠程控制，存儲各設備運行參數，對成套設備之間的運行參數進行分析，發送相應的控制命令，實現成套設備的自動化運行。視頻控制系統主要是用于對工作面成套設備的運行工況進行實時視頻監測，對人員的遠程干預提供依據。

2.4測控數據采集處理系統建設

測控數據采集與處理系統是此次試驗平臺建設的核心，通過在各個設備、煤壁上安裝傳感器，監測各設備在運行過程中的受力情況，并對其進行存儲和分析。

2.4.1數據采集系統硬件方案

實驗數據處理主要以應力應變數據為主，傳感器選型與設計方面，考慮到數據轉換和傳感器強度兩方面，我們選擇的都是應變輸出，采用應變模塊進行數據采集。針對成套設備數據采集的多數據、復雜位置的特點主要分為三類數據：第一類數據是設備本身自帶的數據，通過數據傳輸接口模塊對設備本身自帶接口數據進行接收，再通過無線網關接口傳輸至數據采集終端；第二類數據是通過加裝傳感器輸出的數據，設置采集模塊，通過采集模塊采集后通過無線通訊的方式對數據進行實時傳輸；第三類數據是通過加裝傳感器輸出的數據，設置采集模塊，通過采集模塊采集后通過存儲的方式對數據存儲，離線讀取。

2.4.2數據傳輸通訊方案

①有線數據通訊方式。有線數據傳輸方式是采用串行的數據傳輸，其傳感器與采集模塊連接、采集模塊和上位計算機之間都是采用有線連接，其主要適用于煤壁內應力測試等不發生移動采集點的數據測量，主要優點是成本低、采集數據傳輸穩定。②無線數據傳輸通訊方式。無線數據傳輸方式是建立在無線傳感器技術上的一種數據采集傳輸方式，主要適用于旋轉機械移動機械，安裝布線不方便場合。對于采煤機工作面所有數據均采用無線通訊方式。采用不同的數據采集模塊進行數據采集，數據傳輸采用統一的無線通訊協議進行數據傳輸，保證接口的一致性。③存儲卡的離線數據通訊方式。無線通訊不能實現的場合，比如刮板在回空段，無線信號完全被屏蔽了，這樣的數據采集采用存儲卡的離線數據通訊方式，此種通訊方式需要在設備傳感器一側加裝電池供電，數據采集后實時的將數據存儲到存儲卡中，以備集中的讀取數據。

2.4.3數據分析處理平臺軟件設計

①測試信號數據處理：去偽處理（信號過濾）。測試信號數據處理過程中，我們在數據采集開始將隨機產生的漂移信號進行清零處理，并且通過信號采集時間同步的方法實現在同一時刻的數據采集，在實驗過程中，由于要有前期的準備時間，我們設置了位置定位傳感器，當系統開始運行，到達我們傳感器指定的位置后，位置檢測節點發出標志信號，在采集軟件中會有明顯的標識，對我們后續的數據截取和數據處理進行去偽處理提供參考依據，有效的實現對無用信號的過濾。②測試數據與時空狀態對應處理，建立多維空間下的數據庫。所有測試數據都有對應的數據文件，在同一個測試工程中，每個數據文件之間都有統一的時間坐標作為參考，實現多維空間下的數據庫集群。③性能及其測試參數可視化軟件開發。在實驗中，我們設計了上位機數據采集軟件，可以實時的采集顯示數據，實驗測試參數可以在張家口視頻會議室的終端采集電腦和屏幕上實時顯示，也可以在北京集控中心進行實驗數據的顯示。顯示的的數據中我們可以顯示每個參數和時間對應的曲線，也可以將多個數據同時顯示成三維坐標下的曲線畫面。

3煤礦機械裝備綜合實驗室運行

實驗室作為企業技術創新的主體，是負責企業研發及承擔國家、省、市級科研項目的主要科研力量，在實驗室的運行過程中，我們不斷的探索，研究實驗室的運行管理模式，明確工作重心，制定了實驗室運行管理辦法，選配了優秀研發管理人員[6-11]。依托該實驗室與中國礦業大學（北京）聯合建立了“北京高等學校市級校外人才培養基地”，借助北京高校優質科研資源，充分發揮各自在信息、資源、技術、人才和應用等方面優勢，推進了采掘裝備動力學基礎理論研究、測試試驗研究和數字化礦山技術研究等工作。同時，依托該實驗室，實施了國家863計劃課題《全自動化刨煤機工作面成套設備研發及應用》（項目編號：2013AA06A412）、國家973計劃課題《深部煤巖自適應高效截割原理與適用性評估》（項目編號2014CB046301）及國家發改委低碳項目《千萬噸級高效綜采關鍵技術創新及產業化示范工程》（發改辦高技[2013]1819號）。運行中，研發試驗團隊實時掌握行業最新發展動態，了解市場需求，從而將設計、研發、制造、生產等有機的結合起來，推動企業成果轉化及產業化進程，為新技術、新產品的各項性能試驗提供了良好的環境，有利于企業在核心技術上取得突破，解決設計、制造中的關鍵問題。

4結論

煤礦采掘裝備綜合實驗室先后完成了具有國際先進水平的機械裝備測試中心建設，并模擬煤礦井下工作環境，建成了綜采成套裝備的性能、機械、力學和控制實驗平臺。經過先期的實驗檢測，表明試驗系統的各項功能和性能指標符合初步設計要求，已進行的采煤機、刮板輸送機、自動化采煤系統的試驗測試已經對我們進行新一代自動化、智能化工作面成套設備和技術開發發揮了作用。下一步，我們將與大專院校、科研院所緊密合作，更深入地進行采掘成套設備及開采技術的實驗研究和理論創新，為進一步提升我國煤礦裝備的機械化、自動化、智能化水平和國際競爭力發揮更大作用。

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作者：宋振鐸1 宋秋爽1 袁智1 張強2 單位：1.中國煤礦機械裝備有限責任公司 2.遼寧工程技術大學機械工程學院