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        ★ 權威探討 ★

        采煤機技術發展歷程(八)
        ——可靠性技術

        葛世榮1,2

        (1. 中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083;2.中國礦業大學(北京)智慧礦山與機器人研究院,北京市海淀區,100083)

        摘 要 采煤機在煤礦惡劣環境中運行,其可靠性制約著采煤機高截割性、高智能性的發揮程度,對煤炭產量、成本甚至安全生產都有至關重要的影響,因此要從可靠性設計、可靠性增強、可靠性材料、可靠性運維4個方面提高采煤機產品可靠性。從國內外采煤機研發經驗來看,可靠性設計的重點是部件可靠性、摩擦可靠性、結構冗余性、環境適應性、功能模塊化、安全保護裝置的設計創新;可靠性增強的措施是結構可靠性、牽引可靠性、驅動可靠性、供電可靠性的改進創新;材料可靠性的關鍵是齒輪材料、行走輪材料、滑靴材料、截齒材料、搖臂材料、滾筒材料的選優配強;可靠性運維的質量在于過載保護技術、故障監測診斷、預測性維修的有效實施。從定量分析看,目前國產采煤機整機可靠度與國外同類產品還存在較大差距,以上4個方面的可靠性改進有助于我國采煤機可靠性快速提升。

        關鍵詞 采煤機 發展歷程 可靠性技術 可靠性設計 可靠性增強 可靠性材料 可靠性運維

        采煤機在煤礦惡劣環境和重載、沖擊等苛刻工況下運行,對其強度、剛度、抗疲勞、抗磨損的可靠性要求很高。目前,許多現代化大型煤礦是“一井一面”集約化開采模式,如果采煤機發生故障,就會導致采煤工作面和整個煤礦停產,對于一座年產500萬t煤炭的工作面而言,采煤機停產造成的直接經濟損失近800萬元/d。

        采煤機可靠性是在預知地質條件下無故障地完成開采任務的能力,設備開機率(Equipment Operation Rate,EOR)和平均無故障維修時間(Mean Time Between Failure,MTBF)是衡量可靠性的2個主要指標,它們與采煤機的設計可靠性、制造可靠性、運維可靠性密切相關。采煤機可靠性越高則開機率越高,無故障作業時間越長。

        1942年11月,美國麻省理工學院(MIT)放射實驗室向海軍及船舶局提議成立專門小組,開展電子管可靠性研究,這是世界上第1個有關可靠性的技術文件。1952年8月,美國國防部成立電子設備可靠性顧問小組(AGREE)。1955年該小組提出一份“軍用電子設備可靠性”報告,即著名的“AGREE報告”,首次提出平均無故障維修時間(MTBF)概念,成為可靠性工作指南范本[1]。

        20世紀60年代初,國外開始重視采煤機可靠性研究,英國安德森公司提出要把產品可靠性思想貫穿于采煤機研發過程,歸納了提高采煤機可靠性的四大任務及分工,即設計可靠性、制造可靠性(由制造廠負責),可靠性試驗(廠內試驗由制造廠負責、現場試驗由制造廠與用戶共同負責),運維可靠性(共同負責)。1974年,英國國家煤炭局(NCB)提出了先進技術采礦計劃(Advanced Technoloy Mining,ATM),其中明確了提高采煤機可靠性的技術途徑:對采煤機運行狀態進行監測,直觀顯示極限值和運行值;對采煤機故障進行診斷和預報,使操作人員準確知曉已發生和潛在的故障點;對采煤機運行參數、坐標、速度等進行監控,使其具有自調節能力,保持正常運行狀態;采用計算機對綜采工作面的設備子系統進行協調和控制[2]。

        1976年,我國開展了采煤機可靠性試驗,煤炭科學院上海研究所對DY-150型采煤機進行了10項可靠性試驗,包含牽引部600 h臺架壽命試驗、牽引部20 000次壓力變化試驗、輔助泵2 000 h壽命試驗、截煤部600 h壽命試驗[3]。這些系統的可靠性試驗有效提高了DY-150采煤機可靠性,1977年山東省查莊礦使用DY-150采煤機的故障時間僅為0.84 h/萬t,累計運行1 650 h 過程中僅發生6次故障,事故停產影響率僅為0.23%,遠低于當時煤炭部對礦井機電事故停產影響率1.00%的可靠性要求[4]。

        1 采煤機可靠性模型

        采煤機可靠性架構如圖1所示,主要包括牽引部、截割部、電控、液壓、輔助5個子系統,它們組成一個復雜的串并聯可靠性模型,在系統中包含26個主要部件。統計數據表明,大部分機械設備的無故障工作時間及故障時間服從負指數分布,可用馬爾可夫過程來分析采煤機的可靠性指標[5]。

        1982年,前蘇聯學者Ф. П. 別達得出了采煤機可靠性與工作面生產狀態的影響關系,他根據烏克蘭契爾沃諾格拉德斯克煤層(厚度0.6~1.8 m)運行的КМ-87采煤機的故障數據,得出采煤機有效度與工作面長度、煤層厚度和采煤機牽引速度的回歸關系[6]

        (1)

        式中:K——采煤機有效度(無故障工作時間);

        l——工作面長度;

        m——煤層厚度;

        v——采煤機牽引速度。

        20世紀80年代,我國生產的采煤機平均開機率只有17%,綜采設備平均使用率僅為50%,采煤機以定期預防性維修為主,約有1/3的維修工作屬于無效維修,耽誤生產機時較多[7]。統計表明,當時的綜采工作面停機停產原因中頂板事故占20%,運輸事故占19%,生產環境事故占15%,采煤機事故占11%,支架事故占8%,電氣事故占6%[8]。經過20多年的改進,國產采煤機的可靠性指標逐步提高,但與國外采煤機仍有較大差距,美國的6LS-5型采煤機和國產的MG750/1800-3.3D型采煤機的故障和維修時間及可靠性指標對比如表1所示[9]。

        采煤機整機可靠度計算式為:

        (2)

        式中:Rs——采煤機整機可靠度;

        λs——采煤機系統失效率,h-1;

        λi——采煤機子系統失效率,h-1;

        t——采煤機運行時間,h。

        從表1計算可得,以失效率預測的國外采煤機運行100、200、300、400 h的整機可靠度分別為 0.825、0.681、0.562、0.464,而國內采煤機運行100、200、300、400 h的整機可靠度分別為0.781、0.610、0.477、0.373。

        圖1 采煤機可靠性構架示意圖

        表1 國內外采煤機可靠性指標對比

        子系統故障時間/min故障時間占比/%失效率/(10-4·h-1)整機故障率/h-1整機修復率/h-1平均無故障時間/h平均修復時間/h牽引部系統980(1 820)33.9(29.6)6.52(7.31)截割部系統1 210(2 290)41.9(37.2)8.05(9.19)電控系統400(1 220)13.8(19.8)2.66(4.89)液壓系統230(650)8.0(10.6)1.53(2.61)輔助系統70(170)2.4(2.8)0.47(0.68)0.001 92(0.002 47)0.332(0.195)520(405)3.01(5.12)

        注:數據格式為“國外采煤機數據(國內采煤機數據)”

        2 采煤機可靠性設計

        2.1 部件可靠性設計

        采煤機在惡劣環境下受到沖擊、振動、磨損、腐蝕破壞,需要預估使用中發生超負荷或誤操作時的影響后果,通過可靠性設計來提高承載零件的安全性。在20世紀80年代,為了提高采煤機可靠性,國外制造商進行了以下多項可靠性設計工作。

        (1)盡量消除傳動系統內的薄弱環節,例如傘齒輪、長軸、鏈傳動等,使各傳動件達到等壽命設計。

        (2)選用優質高強度材料制造機箱和齒輪。

        (3)選用優質耐油橡膠密封;盡量少用對環境要求嚴格的高壓液力傳動件,若選用高壓液力傳動,則須加強過濾及冷卻,采用密封油箱并使工作油壓不超過元件許用油壓的2/3。在20世紀60 年代后期,英國國家煤炭局強制性規定采煤機牽引部的工作壓力限制在14 MPa左右,使采煤機牽引部工作壓力控制在主油泵額定工作壓力的60%以內,牽引部主油泵具有1.75倍以上的壓力裕量系數,從而有效保證液壓系統和元件的工作可靠性。

        (4)各大部件之間的聯接,采用可靠牢固的防松技術,如液壓螺母或開口螺母等。

        (5)運用CAD技術設計滾筒,選擇最佳參數,如螺旋升角、螺距、截線數、截齒角度等,使采煤機在截割煤體時負荷波動趨于平穩,以延長采煤機壽命。

        (6)改進截齒結構設計,提高截齒耐磨性;改善噴霧系統,延長截齒壽命,減少更換時間。

        (7)搖臂的內軸承結構改為外軸承,以降低支承負荷,降低機器振動,延長軸承壽命。

        (8)改善機器的保護、監控系統,增設故障診斷系統,便于故障查尋及處理。

        (9)各大部件采用獨立結構,裝卸更換互不干擾,便于井下故障的快速處理。

        (10)完善質量檢驗指標,加強制造檢驗技術。

        經過可靠性設計改進,到20世紀80年代末,美國煤礦的采煤機開機率為75%~90%;澳大利亞煤礦的采煤機開機率為36%,在較好條件下可達62%左右;英國和德國煤礦的采煤機開機率分別為35%和39%[10]。

        2.2 摩擦可靠性設計

        所謂摩擦學設計, 是在機械設計中充分利用摩擦學的知識、 成果和技術, 旨在使所設計的機械裝置能夠達到較長的耐磨損壽命,其基本內容包括潤滑設計、 結構設計、 材料選用和表層設計[11]。因此,采煤機設計不僅需要機構設計、 強度設計、 動力學設計等方面, 而且要考慮摩擦學設計。采煤機運動零部件之間的結合部位較多,如螺栓連接、鍵連接、齒輪結合、導軌接觸、軸承接觸、密封接觸等,這些結合部位的摩擦失效率都比較高,由于摩擦學設計不當所引發的采煤機傳動故障約為70%,還會誘發其他次生故障,因此應加強采煤機傳動部件的摩擦學設計,這是國內采煤機設計工作的薄弱環節。

        2.3 結構冗余性設計

        冗余設計是在產品中用多個單元代替一個單元使用,從而提高機械系統穩定性和可靠性。為了便于維修和保養,冗余設計大多采用相同單元組成的并聯系統、串并聯系統或并串聯系統。采煤機結構冗余設計是對關鍵零部件設計備用機構,當某個部件出現故障時,備用機構能夠繼續工作,但功率或承載能力會有所降低。

        2.4 環境適應性設計

        環境適應性設計是為確保采煤機在井下惡劣環境可靠運行而采取的設計和工藝措施,包括降低環境影響的措施和提高裝備自身抵抗環境作用能力的措施。隨著采煤機自動化、智能化程度提高,機載電子設備的環境適應性設計更為重要,主要包括3個方面任務。

        (1)耐氣候環境設計。針對高溫、低溫、濕熱、鹽霧等環境條件的影響,在熱源與熱沉之間提供一條低熱阻的通道,保證熱量迅速傳遞出去。

        (2)耐機械環境設計。針對設備振動與沖擊的影響,耐機械環境設計的一般方法有減振、加固、去諧、去耦、阻尼、小型化及剛性化,其中的減振和加固設計是有效方法。

        (3)耐電磁環境設計。主要是設備的電磁兼容性設計,以保證采煤機的電子器件、設備或系統在工作面電磁環境中良好運行,主要設計措施包括限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設備的抗干擾能力[12]。

        2.5 功能模塊化設計

        模塊化部件是一個具有特定功能且具有通用性的組件,通過組合各種模塊化部件,即可構成新型號采煤機,生產出不同功能或相同功能、不同性能的系列產品。這些模塊化部件是經過可靠性驗證的成熟零部件,不但能縮短設計周期、降低成本,而且可提高采煤機的質量和可靠性。美國久益公司生產的1LS型采煤機采用了模塊化多電機結構設計,包括2個牽引部、1個電控箱、2個截割部的電機驅動模塊,其優點是留有最大的過煤空間,模塊化拆裝也便于井下運輸,不僅改善了采煤機可維修性,而且可以適應各種輸送機和支架尺寸。

        2.6 安全保護裝置設計

        高可靠性采煤機必須具備必要的安全裝置,以防止超載、超速、超壓、誤操作、誤接觸、環境突變(如瓦斯超量、停電等)引起的事故及事故擴大。采煤機必須設計必要的保護裝置,具有漏電保護、過載保護、過熱保護、缺相、三相不平衡、油壓、油位等保護功能,除了保護措施之外,還通過在線狀態監測來實現故障預警或自動停機。

        3 采煤機可靠性增強

        3.1 結構可靠性增強

        1954年,英國安德森公司推出AB15- SE70安德頓型采煤機,采用底部托架結構,把所有部件固定其上,加強了采煤機整體剛性,提高了與刮板輸送機的配合性;1963年,安德森公司推出的AB10/12-SE單滾筒采煤機設計了可調斜底托架,以提高傾斜煤層截割的適應性,分為橫向調斜和縱向調斜2種底托架,如圖2所示,這種機身結構復雜,鉸接點多,截割硬煤時的整機振動大, 機身下面的液壓管路維護困難;1972年,安德森公司推出了AM500-DERDS型雙滾筒采煤機,采用整體式固定底托架機身結構,增大采煤機的整體剛度和連接強度;1975年,久益公司研制出1LS型電牽引采煤機,創新設計了框式底托架,實現了多電機驅動,各部件以插件形式裝入框式底托架,不僅增強了整體剛性而且方便維修或部件更換;1975年,德國艾柯夫公司推出EDW-380-L型采煤機,設計了無底托架的機身結構,采用液壓鎖緊螺栓將分體機箱連為一體,不僅簡化了結構,便于采煤機拆卸和運輸,還增大了機身底部的過煤空間;1984年,安德森公司的Electra 550型電牽引采煤機首創了整體焊接的箱式機身,分成幾個間隔來安裝電控部、牽引部及液壓泵站,它們可以很方便地嵌入和拆出,整體機身無對接螺栓,無底托架,具有強度大、剛性強的突出優點[13]。

        圖2 可調斜底托架的AB10/12-SE采煤機

        3.2 牽引可靠性增強

        1971年,安德森公司創制了Rack-a-rack型齒軌無鏈牽引系統,解決了重載采煤機安全牽引難題,采用電牽引技術取代液壓牽引,是采煤機牽引可靠性技術的變革[14-15]。久益公司的1LS型采煤機采用了類似于Rack-a-track的無鏈牽引系統,滾輪與齒條嚙合推動采煤機行進,依靠固裝在機身下方導向滑靴來保持采煤機穩定,以更適應底板的起伏。采煤機的滑靴跨騎在刮板輸送機溜槽兩側的鏟板和擋板上,煤壁側的2個支撐滑靴落在特制的鏟板上,采空側除在牽引滾輪下面裝設的導向滑靴外,在機身兩端還有2個滾輪式滑靴在擋板上滾動[16]。

        隨著采煤機向強力截割、快速牽引方向發展,傳統的單一牽引部驅動變為多個牽引部并聯驅動的布置方式,經過了以下4個布置形式的發展階段。

        (1)順列式布置。1958年,德國艾柯夫公司制造出W-SE Ⅳ型固定單滾筒采煤機,中部1臺電機驅動兩側的截割部和牽引部,如圖3所示,這種布局形式組成一個電機、減速器、行走機構的串聯傳動鏈,傳動系統較復雜,故障率較高,機身較長。

        (2)重疊式布置。1971年,法國沙吉姆公司制造出DTS-300型雙滾筒采煤機,這種采煤機沒有專門的搖臂,電機、減速箱和滾筒連為一體,牽引部與截割部重疊布置,靠液壓裝置驅動一同升降提高,使采煤機機身大為縮短,如圖4所示。1986年,英國杰弗里·戴蒙德(BJD)公司生產的ACE緊湊型采煤機、1987年西安煤礦機械廠生產的MXP240型采煤機也是這種布局形式。

        (3)分離式布置。1972年,安德森公司研發出AM500型采煤機,牽引部設置在采煤機的底托架上,與機身分置在2個不同高度,根據需要可以設置2~4個牽引部,共同實現采煤機卡扣牽引,這種布置方式不僅受機身長度影響小,而且牽引力可成倍增加。

        (4)一體式布置。1979年,安德森公司研制出AM-420型爬底板薄煤層采煤機,牽引部在截割部端頭,與搖臂重疊布置,把牽引部和截割部合為一個電機驅動,成為新型縱向采煤機的基本模式,其優點是牽引、截割部件合二為一,減少部件聯接對口數,縮短機身縱向尺寸, 減少端頭截割作業,這對薄煤層采煤機尤為重要;簡化了原來通過牽引部傳遞電機全功率過軸及齒輪裝置,提高傳動效率;將截割傳動齒輪裝置放在部件機殼內的靠煤壁側,牽引機構放在靠采空側,空間利用更加合理。

        圖3 艾柯夫公司的W-SE Ⅳ型單滾筒采煤機

        圖4 法國沙吉姆公司的DTS-300型采煤機

        3.3 驅動可靠性增強

        自采煤機誕生之后,很長時間都是采用單電機串聯驅動截割部和牽引部,隨著采煤機功率和生產能力不斷增大,這種單驅動存在的可靠性弱點日益明顯。自20世紀70年代中期,國內外出現了多電機驅動的采煤機,體現了電動機冗余驅動的可靠性理念,使采煤機結構布局靈活,可靠性和適應性顯著增強,為大功率采煤機研發開辟了新的途徑。采煤機的多電機驅動主要有6種形式[17],如圖5所示。

        圖5 多電機驅動的布置形式

        (1)多轉子電機驅動。這種驅動電機在一個箱殼內安置了雙轉子、定子副,形成一箱體兩電機并聯驅動,有串聯和并聯2種形式。串聯是雙轉子串在同一電機主軸上,同軸輸出扭矩;并聯是2個轉子在2個平行的軸上,雙軸輸出扭矩。1987年,日本生產的DR7575薄煤層采煤機就采用了并聯雙轉子結構的電機驅動,其優點是外形尺寸小,單位體積功率容量大,DR7575采煤機的電機功率為300 kW,單位體積功率容量達到0.48 W/cm3,比普通采煤機的矩形電機高出1/3左右。

        (2)縱向雙電機驅動。這種驅動將采煤機主要部件設計成積木式連接,在機身上加一臺相同的電機,就能使采煤機功率增大一倍。這是目前多電機采煤機中最主要的結構形式。世界上最大功率的采煤機ASTRO-100采用2臺500 kW電機驅動,2個電機可以單纜雙電機供電,也可雙纜雙電機供電。這種總體布局的主要優點是保持了原有采煤機的大多數部件和主要性能特點,可以由原來單電機采煤機改裝,只需延長底托架、增加中間箱等輔助部件就可以實現。雞西煤機廠在MLS-170的基礎上生產了我國第1臺340 kW大功率采煤機,在使用中曾取得了很好的效果??v向雙電機布置的缺點是采煤機雙滾筒旋轉中心距過長,頂板暴露面積大,因此在某些條件下限制了它的適應性。

        (3)橫向雙電機驅動。這種驅動把雙電機在采煤機上橫向擺放,明顯地縮短了機身長度,而且還取消了截割部的錐齒輪傳動這個最薄弱環節,提高了機械傳動的可靠性。1980年,蘇聯K-103采煤機采用了橫向雙電機布置,2個電機滾筒并聯承擔截割動力,如果有一臺電機發生故障,另一臺電機仍能驅動2個滾筒,在降低牽引速度情況下繼續割煤。橫向雙電機驅動的最大優點是機身短,K-103采煤機外形總長僅4 m多,比普通雙滾筒采煤機幾乎短了一半。1997年,遼源煤機廠生產的仿制1K-103型采煤機也采用了橫向雙電機驅動。

        (4)外置雙電機驅動。這種驅動把截割電機從傳統的采煤機機身中間位置上移到機身的兩端頭,蘇聯的КЩЭ型大功率電牽引采煤機采用了這種驅動方式,截割減速箱和牽引減速箱合并在一個箱體內,并與電器控制箱、牽引電機等部件組成一個主機身。截割電機懸掛在主機身外端,L型側置式搖臂從減速箱伸出。КЩЭ型采煤機雙滾筒旋轉中心距比傳統電機布局的采煤機縮短了3 m以上。

        (5)搖臂內置電機及減速箱驅動。1971年法國通用電氣公司(SAGEM)的DTS300型采煤機和1987年我國西安煤礦機械廠生產的MXP240型采煤機均采用了將截割電機與減速箱置于搖臂的多電機驅動方式,當采煤機調高時,電機和減速箱一同擺動,使截割部結構大為簡化。這種驅動機型的雙滾筒旋轉中心距短,搖臂長,采高范圍大,機身更窄, 增強了采煤機對回采工作面頂板條件的適應性。但其弱點是電機與減速箱組成的搖臂較寬,裝煤效果不如普通式窄搖臂。此外,采煤機重心偏高,對采煤機穩定性不利。

        (6)多電機分布驅動。采煤機截割、行走、液壓系統分別使用各自的電機驅動,形成高可靠性的分布式驅動模式。1975年,久益公司推出了1LS型采煤機,它是世界上第1臺多電機分布驅動采煤機,這是采煤機型設計的重要進步,打破了單一電機驅動的傳統,這一變革為采煤機帶來了前所未有的可靠性和可維護性。這種采煤機的截割電機位于搖臂根部,省略了固定減速箱,搖臂可以直接鉸接在機身上,使得電機軸線與滾筒軸線平行,無需錐齒輪改向傳動,由此簡化了采煤機結構,減少了薄弱環節和故障多發點,獲得了簡單可靠的傳動系統,克服了大功率采煤機機身過長及偏大的缺點[13]。

        采煤機的多電機驅動有益于充分發揮各自功率,降低總裝機功率。安德森公司曾對單電機的AS600型采煤機與多電機的Electra550型采煤機進行了負荷測定及對比,多電機采煤機裝機功率高于單電機驅動采煤機,但實際消耗功率僅為裝機功率的70%,能更好地保證動力可靠性。

        3.4 供電可靠性增強

        3.4.1 提高工作面供電電壓

        20世紀60年代之前,國外的采煤工作面供電一般為550 V左右的低電壓等級,隨著機械化采煤裝備功率增大,英國最早開展了采區中壓供電研究。1961年,英國國家煤炭局決定把采區電壓從550 V升至1 100 V的中等級電壓,1963年開始試驗,1967年列為井下標準電壓,到1971年英國800個綜采工作面中約有170個工作面采用1 100 V供電;1963年,法國和德國都進行井下1 000 V供電試驗,1964年德國將其列為標準電壓,1965年法國開始推廣1 000 V供電技術;1964年,美國開始研制井下使用的950 V電動機;1970年,澳大利亞井下采煤機采用950 V供電電壓;1986年,久益公司制造出1 000 V供電的4LS型采煤機,裝機功率為514 kW。

        1977年,南非在世界上率先采用了3.3 kV高壓供電采煤機,在薩索爾(Sasol)煤炭公司的塞昆達(Secunda)煤礦使用了4臺3.3 kV連續采煤機;1980年該礦又運行了3.3 kV供電的AM500采煤機,到1983年投產7個3.3 kV綜采工作面。1985年,澳大利亞尤蘭(Ulan)煤礦綜采工作面運行了3.3 kV供電的AM500采煤機,到1989年底,澳大利亞有7個綜采工作面采用3.3 kV供電,占當時該國綜采工作面總數的36%。1989年,英國在凱林萊(Kelling Ley)煤礦WV33號工作面試運行3.3 kV供電的Electra1000型采煤機[18];1992年7月,哈沃斯(Harworth)煤礦11號工作面是英國第1個正式運行的3.3 kV綜采工作面,綜采機械可靠度達97.32%,電氣故障率為1.45%,機械故障率為1.23%[19]。

        1989年7月,久益公司生產出2.3 kV供電的4LS3采煤機,在肯塔基的狼溪礦使用,這次技術改進被認為是久益公司采煤機功率爆發式增長的轉折點;1990年,該公司生產出2.3 kV供電的3LS4型采煤機;1993年,波蘭切喬特(Czeczott)煤礦使用3.3 kV供電4LS5型采煤機、南非新丹麥礦使用3.3 kV供電4LS6型采煤機,這些高電壓采煤機的可靠性顯著提高,工作時間利用率都在97%以上[20];1993年,久益公司生產出4.16 kV供電的4LS6型采煤機,在肯色城堡煤礦運行。到1994年底,美國煤礦81個綜采面有61%使用高電壓供電,單臺電機功率大于300 kW或總功率大于450 kW的采煤機均采用高壓供電方式[21]。

        1983年7月,法國普羅旺斯(Provence)煤礦和拉烏弗(Lahonve)煤礦試運行了5 kV的工作面刮板輸送機,是當時煤礦井下工作面設備的最高供電等級;同年,法國普羅旺斯煤礦采用5 kV供電的熊貓(Panda)型采煤機,聯邦德國在薩爾礦區采用5 kV供電的EDW-450-L和EDW-380-L采煤機;1995年,波蘭扎梅特(ZAMET)機械廠和柯瑪格(KOMAG)采礦機械化中心研制出6 kV供電的KSE-1000型長壁采煤機,1995年6月在波蘭南部的齊莫維特(Ziemowit)煤礦下井生產,開采了3個長壁工作面[13, 22]。

        在我國,20世紀50年代的炮采工作面裝機容量低于300 kW,低壓供電380 V等級即能滿足負荷需要。1957年,我國開始探索采區660 V供電技術,在大同礦務局進行了工業性試驗,1964年開始推廣660 V采區供電。到20世紀70年代初,全國煤礦已有1 000多個工作面(約占總數的50%)實現了660 V電壓供電。1972年,我國開始研究煤礦井下千伏級供電技術,1975-1979年研制出千伏級煤礦井下采區成套電氣設備,在大同同家梁煤礦和開灤唐山煤礦分別進行了井下工業性試驗[23]。1991年,原能源部在北京召開技術討論會,確定可將我國高產高效工作面供電電壓升至3.3 kV[24]。1992年,晉城礦務局古書院煤礦綜采工作面采用3.3 kV供電系統,電氣設備由德國西門子公司和英國布拉什公司聯合生產;1998年,煤炭科學研究總院上海分院與多家煤機廠聯合制造出我國第1套3.3 kV綜采供電設備,在晉城礦務局古書院煤礦12308工作面的MXB-930型直流電牽引采煤機進行了工業性試驗[25];1996年,太原礦山機器集團有限公司研發出我國第1臺3.3 kV供電的MGTY400/900-3.3D大功率電牽引采煤機,在充礦集團公司南屯煤礦和大同礦務局馬脊梁煤礦進行了工業性試驗;1999年,煤炭科學研究總院上海分院生產出3.3 kV的MG450/1020-WD型采煤機,裝機功率是當時最大的1020 kW。到2010年,我國大部分高產高效綜采工作面采用了3.3 kV供電系統,但還沒有6 kV供電的井下綜采設備運行實例和經驗。

        3.4.2 提高入井供電電壓

        為了簡化礦井供電系統,提高供電可靠性,國內外煤礦入井電壓提高到10 kV等級。1979年,聯邦德國在奧斯特菲爾登(Ostfildern)煤礦進行10 kV直接下井供電試驗;1980年,英國開始井下10 kV供電試驗,1986年在恰頓(Chartham)煤礦又進行了試驗;1990年左右,澳大利亞煤礦引進英國11 kV供電設備在井下供電[26]。

        1971年,我國在河南省焦作市焦東礦進行了井下10 kV供電試驗,1974年在湖北寶源礦中平硐運行,1985年在河南省洛陽市偃師縣焦村煤礦運行。在此基礎上,1987年我國研制出10 kV級煤礦電氣設備,在寶源礦中平硐使用多年。從2010年起,我國高產高效工作面大多采用10 kV電壓直接入井供電,顯著提高供電能力和供電可靠性[27-28]。近年來,我國采煤工作面為了實現智能化開采和節能降耗,采用入井電壓10 kV、工作面電壓3.3 kV的遠距離供電方式,如山東能源集團濟寧二號煤礦綜放工作面采用2.1 km超遠距離高壓供電[29-30]。

        4 采煤機材料可靠性

        采煤機的截割、行走、傳動等部件須用結構材料制造而成,以其優異的力學性能來承擔截割煤巖、機器行進、重載傳遞過程中的載荷、變形及振動。在采煤機運行中,影響可靠性的材料失效模式主要是磨損和斷裂,集中于截割部和牽引部的齒輪、行走輪、滑靴、截齒、搖臂、滾筒、密封等關鍵零件,其材料可靠性至關重要。

        4.1 齒輪材料可靠性

        1964年,艾柯夫公司生產的EDW-170-L型采煤機的齒輪采用17CrNiMo6、15CrNi6合金鋼[31];1972年,安德森公司生產的AM-500型采煤機搖臂行星齒輪采用En36B、En39B鉻鉬氮化鋼制造,齒輪經滲碳、淬火處理,齒面硬度約60 HRC,齒芯硬度41~44 HRC,以額定功率計算的當量壽命為12 500 h[32];1976年,久益公司生產的1LS、2LS型采煤機的傳動齒輪采用SAE9310、SAE8620鎳鉬鋼,表面滲碳淬火深度0.8~1.5 mm,硬度可達58~62 HRC,采煤機齒輪的設計壽命可達600萬t采煤量[16, 33];1980年,日本生產的MCLE350-DR6565型采煤機的齒輪用SCM24合金鋼制造。

        1982年,我國試制DY-150型采煤機時,重載齒輪使用30CrMnTi合金鋼,后來生產的DY-150型采煤機和MXA-300型采煤機齒輪選用18Cr2Ni4WA合金鋼,采用復合等溫淬火,齒輪芯部硬度調整到強度韌性均理想的40 HRC左右[34]。之后的采煤機傳動系統中,高速級齒輪多選用20Cr2MnTi或30CrMnTi合金鋼制造,低速級齒輪選用18Cr2Ni4WA或18Cr2Ni4MoA合金鋼制造,通過滲碳淬火熱處理, 硬度可達58~62 HRC。MGT375/750型采煤機牽引箱的齒輪設計壽命為7 000 h,軸承設計壽命為10 000 h。

        4.2 行走輪材料可靠性

        自從1958年艾柯夫公司首次設計Eicotrak無鏈牽引系統并用于SWE670型滾筒采煤機之后,齒輪(行走輪)與刮板輸送機齒排嚙合的牽引方式已成為當今電牽引采煤機普遍采用的行走機構。

        20世紀90年代中期,我國生產的電牽引采煤機的行走輪采用18Cr2Ni4WA合金鋼制造,最終熱處理為滲碳淬火,最大牽引力只有250 kN,經常發生斷齒故障。目前,行走輪材料改為18Cr2Ni4WE電渣重熔鋼,并增大齒面滲碳層厚度,這種鋼材可提高疲勞壽命 6 倍,提高彎曲疲勞壽命20%,提高沖擊韌性1倍[35]。

        最初刮板輸送機銷排類型分為125、147 mm節距,行走輪齒廓分為內外擺線形和漸開線形。內外擺線齒廓行走輪一般與125 mm節距銷排配合使用,漸開線齒廓行走輪通常與147 mm以上的大節距行走輪匹配。2012年,寧夏天地奔牛公司研發出172、176 mm大節距采煤機無鏈牽引系統,銷排承載牽引力達到1 500 kN,實現了200萬t采煤量無故障運行[36-37]。國內外采煤機的典型行走輪參數如表2所列,國外的行走輪體現出很強的標準化,具有通用性和互換性,因此現場使用可靠性較高。為了解決這個問題,天地科技股份公司上海分公司提出了國產采煤機行走輪標準化和系列化設計,如表2所示,以一個模數m=54.75 mm的行走輪,適配兩種齒形的牽引輪,嚙合3類5種節距的銷排[38]。

        表2 國內外采煤機行走輪參數

        艾柯夫采煤機行走輪機型牽引力/kN齒數模數/mm久益采煤機行走輪機型牽引力/kN齒數模數/mm國內采煤機行走輪(標準化)銷排節距/mm牽引力/kN齒數模數/mmSL300324SL500530SL750445SL900450SL10005601046.797LS1A3157LS2A2957LS64557LS6C7LS7320101146.791251471511721767501 0001 5001154.75

        4.3 滑靴材料可靠性

        滑靴對采煤機在刮板輸送機上滑行起到支撐和導向作用,分為平滑靴和導向滑靴。如果導向面磨損嚴重,導向精度會變差,行走輪與銷排嚙合失常,造成行走輪快速磨損或斷齒,嚴重時會引發采煤機脫軌傾翻事故。德國艾柯夫采煤機的導向滑靴材料是GS42CrMo4超低碳合金鋼,布氏硬度可達245 HBW,沖擊韌性達到127 J/cm2;美國久益采煤機的平滑靴材料為ASTMA514碳素鋼,滑靴的大修周期超過300萬t過煤量[39]。國內采煤機的導向滑靴材料常用ZG25CrNiMo、ZG35CrMnSi鑄造合金鋼,大修周期為100~150萬t過煤量。目前,國內外采煤機平滑靴主要采用鍛造成型,使用42CrMo、18Cr2Ni4W、20CrNiMo合金鋼。

        為了提高耐磨性,國內外廠家通常在滑靴導向面上堆焊耐磨層。天地科技股份公司上海分公司的導向滑靴常用ZG35CrMnSi、ZG42CrMo材料,堆焊材料是DG09氣保焊絲。西安煤礦機械公司的導向滑靴材料為ZG35CrMoV,采用德國進口卡斯特林XHD646焊條先在導向面上先打底焊,之后再用卡斯特林EnDOtecDO15焊絲堆焊耐磨層[40]。2010年,雞西煤礦機械有限公司在滑靴導向面焊接SA1750CR碳化鉻耐磨復合板,耐磨層厚度為4 mm,硬度提高到55~62 HRC?;ピ诰虏擅簷C連續使用6個月后,導向面僅有輕微磨損,展示了優良的耐磨性能。2011年,中國礦業大學采用等離子熔覆技術,在調質 45 鋼基材表面熔覆Cr6MnV 鐵基合金耐磨層,提高了熔覆層的強度、硬度和韌性,增加了滑靴承載能力,熔覆層厚度約為 3 mm。表面維氏硬度平均值可達 584 HV0.5,洛氏硬度達到 54.6 HRC,熔覆層在承擔重載時處于較低摩擦系數,降低了磨損量[41]。2014年,三一重型裝備有限公司研制出超低碳合金鋼鑄造滑靴材料,其化學成分為C 0.069 0%、Mo 0.360 0%、Si 0.510 0%、Mn 1.520 0%、B 0.002 6%、La 0.010 0%、P 0.008 0%、S 0.008 0%,熱處理工藝為930 ℃×40 min水冷+650 ℃×2 h回火,調質后的硬度達到布氏硬度196 HBW,沖擊韌性為130 J/cm2[42]。2015年,天地科技股份公司上海分公司與山東科技大學合作研制出CrNiMo低碳合金鋼基體熔覆Fe-Cr-Mn鐵基合金粉末的耐磨滑靴,用于MG900/2400-WD采煤機,在神木涼水井礦42111綜采工作面進行工業性試驗,采煤量達到350萬t時,磨損量仍未超限(規定值為5 mm)。

        4.4 截齒材料可靠性

        截齒是采煤機“啃”硬石頭的“牙齒”,必須具有強硬和耐磨的材料性能。采煤機截齒材料從18世紀中期的碳素工具鋼,到19世紀末期的合金工具鋼,之后發展為20世紀30年代制造出第1代耐磨截齒的硬質合金材料(包括WC-Co合金,WC-TiC-Co合金,WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金,鋼結硬質合金,碳化鈦基合金等);第2代復合耐磨截齒采用超硬材料,制造方法分為鍍膜型、燒結型、焊接型(堆焊、釬焊、激光熔覆、等離子熔覆)等,采煤機應用最多的是焊接型復合截齒;目前,發展到第3代截齒的聚晶超硬材料,齒頭用聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼材料制造。有關截齒材料的詳細內容見文獻[43]。

        4.5 搖臂材料可靠性

        據統計,50%以上的采煤機搖臂故障是殼體強度不足和變形引起的,因此必須提高搖臂殼體材料強度及可靠性。德國艾柯夫公司制造的SL500采煤機搖臂殼體材料是GS-22Mo4鑄鋼。國內采煤機的搖臂殼體材料主要是ZG270-500、ZG25Mn或ZG25MnNi碳素鋼或合金鋼,屈服強度和抗拉強度難以滿足大功率采煤機高強度搖臂要求。近年來,國內陸續開發了高強度搖臂殼體新鋼材。2009年,三一重裝集團的采煤機以ZG25Mn2-Ⅱ合金鋼鑄造搖臂殼體,元素含量占比為C 0.270%~0.340%,Si 0.300%~0.500%,Mn 1.200%~1.500%,S<0.300%,P<0.035%,Cr<0.035%,布氏硬度達到177 HBW。2013年,天地科技股份公司上海分公司生產的MG750/1800-WD型采煤機鑄造搖臂材料是ZG25SiMn2Mo,2007年出產的MG500-1180-WD系列采煤機搖臂材質為ZG310-570,抗拉強度b>310 MPa,屈服強度s>570 MPa。2013年,天地科技股份公司上海分公司研發出新型CrNiMo系調質鋼,添加元素含量占比為C 0.37%~0.44%,Cr 0.60%~0.90%,Ni 1.25%~1.65%,Mo 0.15%~0.25%,高強度搖臂加工工藝包括鑄造、空淬和高溫回火、粗加工、去應力回火、精加工[44]。2015年,神華集團神東公司和中傳重型裝備有限公司聯合開發無行星齒輪傳動的全直齒五級齒輪傳動搖臂,采用Q690高強板焊接結構殼體,電機筒、輸出軸筒為中低碳合金鑄鋼件,與其他Q690高強板組合焊接制成高強度搖臂,該搖臂安裝在引進的艾柯夫SL1000型采煤機上,累計生產原煤超過600萬t,故障率比原國外搖臂降低了20%,維護時間縮短了約30%[45]。據測算,焊接搖臂比鑄造搖臂的成本降低約25%。國內外代表性的采煤機搖臂力學性能如表3所示[46]。

        4.6 滾筒材料可靠性

        為了滿足采煤機高截割性、高可靠性和高智能性的要求,滾筒結構材料性能要求也越來越高。目前,國內采煤機滾筒的齒座材料主要用35CrMnSiA、20CrNiMo、42CrMo和ZG40Cr鋼,螺旋葉板、端盤板材料有ZG270-500、Q235、16Mn鋼。通過這些材料的力學性能對比,最適合的齒座材料為35CrMnSiA鋼,螺旋葉板與端盤板材料為16Mn鋼[47]。

        表3 國內外采煤機搖臂殼體力學性能

        殼體名稱抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%沖擊韌性/(J·cm-2)艾柯夫搖臂殼體≥900≥700≥15≥80久益搖臂殼體≥1 100≥800≥10≥40ZG25MnNi搖臂殼體≥550≥310≥22≥40Q690焊接殼體≥760≥650≥14≥47

        5 采煤機運維可靠性

        設備狀態檢測是對采煤機工作和健康狀態進行在線感知和評判,采煤機結構越集成、功能越復雜、自動化程度越高,對其狀態檢測要求也越高。采煤機狀態監測信息包含3個方面:

        (1)設備過載超速保護信息,例如截割高度、牽引速度、電機負載等;

        (2)設備故障監測診斷信息,諸如關鍵部件(電機、軸承、齒輪)的溫度與振動、潤滑與磨損、變形與裂紋等;

        (3)設備預知維修信息,即預測性維修的狀態監測,包括關鍵點的故障態勢、故障位置、故障類型、維修提示及策略,并向監控中心發出預警和指令。

        5.1 過載保護技術

        采煤機的電機驅動力矩按照額定載荷設計,如果長時間超負荷運行,會造成多電機熱損壞,電機過載保護分為機械式過載保護和電子式過載保護。依據負載源到電動機的載荷流方向,采煤機應設置三重過載保護:一是在電動機輸出端設置限矩保護;二是電動機過流保護;三是電動機過熱保護。

        5.1.1 機械式過載保護

        1965年,安德森公司的MK-Ⅱ型雙滾筒采煤機上裝有牽引力過載保護的摩擦限矩器,正常工作時,摩擦限矩器處于閉合狀態;當牽引力過載(>20 t)時,限矩器的摩擦片打滑,起到過載停車的保護作用。1975年,久益公司的1LS型采煤機在截割電機傳動軸上設計了空心扭矩軸保護裝置,如圖6所示,當截割硬巖或滾筒卡住發生過載時,空心軸內部的小直徑傳動軸被扭斷,保護傳動件和電機不發生破壞[48]。1990年,久益公司生產的6LS采煤機上裝有5根扭矩軸,對采煤機截割部起到了有效的緩沖減振和過載保護作用[49]。1994年,艾柯夫公司的SL500采煤機上裝設了彈性扭矩軸,之后的SL系列采煤機使用扭矩軸作為過載保護裝置。2016年,三一重工集團在其采煤機上設計了端齒聯軸器,如圖7所示,利用端齒盤在傳遞扭矩時的齒間作用力產生軸向分力的特性,過載時會推動傳動軸分離端齒盤,從而斷開過載沖擊傳動鏈,避免了更換扭矩軸,減少了停產時間[50]。

        1-扭矩軸,2-驅動電機,3-傳動齒輪,4-搖臂外殼
        圖6 美國久益公司6LS采煤機扭矩軸結構

        1-端齒傳動軸;2-傳動齒輪;3-限位板
        圖7 三一重工集團采煤機端齒聯軸器結構

        5.1.2 電子式過載保護

        采煤機電動機的堵轉和過載故障一般都會導致電流增大、溫度升高,因此可以通過溫度監測來判斷故障并通過熱繼電器進行保護。1901年,美國通用電氣公司首次制造出過流繼電器。20世紀50年代初,截煤機采用了雙金屬片熱繼電器,我國引進蘇聯技術開發了JR0~JR16系列雙金屬片熱繼電器,對采煤機電動機過載保護具有反時限性能和結構簡單的特點;70年代末期,國外采煤機開始使用電子式熱繼電器作為過熱保護裝置,利用電動機內部的傳感器檢測溫度,當電動機繞組溫度接近故障臨界值,晶體管或集成電路繼電器迅速切斷電動機電源,使其得到保護;80年代初,艾柯夫公司的采煤機上使用8SD8512型電子過流繼電器[51];1993年,久益公司生產的6LS型采煤機控制系統中設有RTD熱阻檢測傳感器,截割電機的RTD阻值變化信號傳輸到CCU模塊,對采煤機實施保護控制;1997年該公司的7LS型采煤機電氣回路中配置了電流互感器、電流傳感器、溫度檢測器等多種傳感器,為采煤機的油泵電機、截割電機、牽引電機提供過熱保護、過載保護、堵轉過載保護的自動控制,有效避免采煤機各個電機發生過載和過熱故障[52];2008年,西安煤礦機械公司研制的MG900/2210-GWD型采煤機采用PLC電氣控制中心,在截割電機、破碎電機、泵電機、牽引電機繞組內埋有溫度接點,并串入啟動回路,當電機溫度達135 ℃時,電機降低容量30%運行,當電機溫度達到155 ℃時,PLC輸出信號將采煤機啟動回路自保接點切斷,使采煤機停電[53]。

        5.2 故障監測診斷

        20世紀60年代中期,波蘭研發出采煤機故障監視和無線電遙控系統[54]。1976年,艾柯夫公司生產的EDW170-L雙滾筒采煤機上裝有實時監測采高、機位、速度、油溫、油壓、電機轉速、風速、工作面溫度的傳感器,信息可由多路音頻系統傳輸至地面;1983年,久益公司生產的3LS采煤機裝有38種檢測和診斷功能,包括牽引速度、油溫、各處油壓、水壓、各電機電壓、電流、轉數、溫度等關鍵運行參數都能數字化顯示,并在手持終端上顯示運行工況,當發生某種故障時,通過操作盒的數字顯示器自動顯示出故障狀態號碼[55];1986年,艾柯夫公司的EDW-450L型雙滾筒采煤機裝有探測裝置,能把采煤機的運行參數傳輸到礦井監視臺并記錄下來。

        1984年,安德森公司研發出3個采煤機監測系統:采煤機運行狀態監測系統用來監測工作壓力、溫度和油液的流動等;采煤機故障判別系統用于查詢故障,指示回路工作的連續性;采煤機操縱狀況信息系統監視采煤機的位置、速度、功率消耗等參數。這些監測系統有效提高了采煤機運行可靠性。1985年,該公司研制出裝有微型計算機的滾筒采煤機,配備了LCD顯示器,模擬顯示機器故障診斷信息,可以顯示額定值和實際值,進行功能檢驗和監測維修。利用矩陣式鍵盤可以選擇測點和貯存數據,檢測的采煤機物理參數包括:電壓(供給電壓、輔助電壓、電源電壓)、電流(截煤電動機、直流電動機、電磁閥)、壓力(油壓、水壓)、溫度(電動機、潤滑油、礦層)、容量(冷卻水、潤滑油)、工況(電纜牽引力、切割高度、傾角、位置),診斷裝置可向手控裝置和遙控裝置進行指令發送器的功能檢驗[56]。

        1993年,美國朗艾道公司的EL系列采煤機上配有Impact監控系統,具有隨機故障監測、診斷和數據傳輸的功能。其主要參數包括:采煤機的位置及運動方向(可用作控制液壓支架的指令)、牽引速度、牽引力、供電電壓;負載電流和負載功率、采煤機在兩個方向的傾斜度、擋煤板的位置及運動、冷卻水壓力及流量、主液壓系統及輔助液壓系統壓力、流量和溫度;制動系統的壓力和溫度、各齒輪箱的油位和油溫、液壓箱的油位、重要軸承的溫度。裝在采煤機上的計算機可以顯示以上參數的實際值及其極限警報。

        久益公司在6LS、7LS采煤機上嵌入JNA系統,它有更為全面的故障診斷及圖形顯示功能,可提供14個信息菜單:截割部信息匯總、左截割部電流曲線、左截割部溫度曲線、右截割部電流曲線、右截割部溫度曲線、牽引速度-電流柱狀圖、牽引電流曲線、牽引速度曲線、泵站電機電流曲線、狀態顯示燈、錯誤信息記錄、單項記錄-重新整定、記憶截割菜單、參數模式整定。艾柯夫公司在其SL系列采煤機上裝有MICOS68礦用微機系統,可顯示10個狀態參數菜單:運行狀態、自動操縱、截割部參數、牽引部參數、液壓系統參數、各檢測點溫度、各電動機電流、水量和水壓、控制系統軟硬件型號、診斷和預警[57]。

        在我國,20世紀90年代開始重視采煤機狀態監測技術研發和應用。1995年,研發成功國產AM500采煤機實時工況監測及故障診斷專家系統,可對采煤機的15類故障進行動態實時監測、故障診斷和報警[58]。近年來,嵌入式采煤機狀態監測系統取得長足進步,能夠在線監測和動態顯示采煤機各種機電液部件的工作參數,并將數據實時存入機載大數據記錄儀[59]。目前,國產采煤機都有機載或手持終端上的實時顯示狀態監測、故障診斷和記憶存儲信息,可視化功能包括:開機操作提示,故障顯示,運行狀態實時顯示,狀態及故障信息存儲,故障信息提示,截割電機恒功率控制,牽引電機負荷控制,電氣溫度顯示及熱保護,變頻調速系統超頻、過載、過流、短路和漏電保護,簡單的電氣系統故障診斷[60]。

        5.3 預測性維修

        隨著煤炭開采技術不斷發展,采煤機技術走向大功率、集成化、智能化,雖然設計可靠性和材料可靠性逐漸提高,但其運行故障的可預見性和易維修性卻遇到更大挑戰,對設備維修要求越來越高。

        與其他行業機械設備維修方法變遷一樣,采煤機維修方法也在不斷進步。按照設備狀態和維修時機,維修方式分為故障前的預防性維修、預測性維修和故障后的修復性維修兩大類。修復性維修(Corrective Maintenance,CM)又稱事后維修,是在設備部分或全部故障后恢復其使用功能,屬于非計劃性維修;預防性維修(Preventive Maintenance, PM)又稱定時維修,按經驗確定的時間間隔進行停機檢查、解體、更換零部件,以預防損壞、繼發性毀壞及生產損失,這是目前采煤機普遍采用的定期大修、中修和小修;預測性維修(Predictive Maintenance,PdM)是以設備運行狀態為依據的維修策略,通過對設備關鍵部位的狀態監測及故障態勢分析,預判可能發生的故障模式,由此制定預測性維修的時間、項目、方式及必需備件。設備診斷技術是預測性維修技術的核心[61]。設備維修方法發展進程如表4所示。

        表4 設備維修方法發展進程

        階段年份維修方法內涵第一代維修模式1932年事后維修(BM)設備發生故障之后進行維修第二代維修模式1951年預防維修(PM)對設備定期更換零件或大修活動1954年生產維修(PM)提高設備生產率的維修活動1957年改善維修(CM)提高設備完好率的維修活動第三代維修模式1963年維修設計(MP)在設計階段考慮提高可靠性和維修性1968年全員生產維修(TPM)產品的全流程參與生產維修活動第四代維修模式1973年預測維修(PdM)基于設備退化狀態監測的維修活動1985年可靠性維修(RCM)以最少消耗保障設備固有可靠性和安全性第五代維修模式2015年智能設備管理(IPM)實現設備管理數字化、維護智能化、維修可視化

        設備維修費用一直是礦山管理者關注的一個重要成本問題,就全球范圍而言,采礦設備的維修費可能會占到產品成本的20%~40%。對于我國采煤機而言,目前大部分還處于預防性維修階段,近年來生產的自動化或初級智能化采煤機具有一些預測性維修功能。預測性維修將狀態監測、故障診斷、狀態預測、維修決策和維修實施融為一體,貫穿于采煤機健康監測、病灶發現、未病預防、病變消除的全過程。在這個過程中,狀態監測是基礎,故障診斷是依據,狀態預測是關鍵,維修決策是重點,維修實施是手段。未來,根據采煤機運行監測數據和退化機理模型,利用人工智能技術, 及時檢出異常信息并預測采煤機剩余使用壽命 (Remaining Useful Life,RUL), 制定最優維修方案,形成基于壽命預測和維修決策的預測性維護技術,這將是保障重型智能化采煤機高可靠性運行的一項關鍵技術。

        1978年,美國伯利恒礦山公司的埃爾斯沃思礦務局研發出計算機化維修信息系統,在賓夕法尼亞州華盛頓的南部和東部的51、58和60號煤礦推行預防性維修管理,主要目的是為了在生產時間內減少設備的平均停機時間。3個煤礦共有23個裝備連續采煤機和梭車的采區,還有1個完整的長壁采煤系統,原煤產量近470萬t/a。按照計算機的修正程序打印輸出的報告,形成設備壽命的統計報告,即適當預防性維修計劃的主要輸出報告,也是預防性維修單元臨界壽命的統計報告[62]。1981年,加拿大魁北克卡捷采礦公司使用維修管理計算機化的維修計劃和管理系統,該系統管理露天鐵礦和港口的作業設備維修任務,采用預測性維修技術,用以監測設備隊、選礦廠和球團廠的設備狀況,油液分析和振動分析分別是發動機和旋轉設備故障的有效預測方法,在計算機終端可獲得預測結果[63]。1984年,美國亨德森鉬礦制定出一套規范的預防性維修制度,建立了維修管理信息系統,開發了維修信息軟件,實現了井下工作站與中央計算機聯網,維修人員可實時查到維修信息。該礦推行全員生產維修理念,井下生產區域及其他區域的道路養護、機修工和操作人員培訓、職工全員參與等方面制定了相應維修制度和措施。通過上述努力,鏟運機每噸礦量維修費用降低了50%,設備完好率和生產效率均有明顯提高[64]。1988年,英國安德遜長壁公司組建了售后服務部,協助用戶的AM500采煤機運行診斷和維修。該公司研發了嵌入手持式編程計算機的CS21數據采集裝置,并提供1個維修軟件包,每月由現場維修人員通過CS21采集裝置輸入采煤機缺陷數據,維修包錄入采煤機油液分析數據,每隔7 d輸入1次。AM500維修計劃分成140個維修檢查項目,數據軟件包有150個屏幕顯示對維修事項進行提示。CS21數據采集裝置在每周末收集所有維修數據,在星期一輸入操作中心的中央計算機,形成1份采煤機缺陷記錄及其原因的報告,送給服務經理確認,然后分成兩大類向煤礦和維修部門提出維修建議[65]。1991年,南非礦山開始重視采礦設備的預測性維修,里士滿(Richmond)公司創立了工況監測服務公司(Condition Monitoring Service,CMS),監測地下采礦設備的差速器、液壓裝置、齒輪變速箱及主傳動器及回轉式鉆機的齒輪變速箱,露天礦的破碎機和磨礦機的電動機和齒輪減速箱,輸送機、濃縮機及攪拌機的齒輪箱,以及水泵、空氣壓縮機及通風機等。為了管理設備磨損失效數據,CMS公司開發了一個Tribo Predict數據處理系統,可自動記錄磨損監測結果、維修詳細情況及設備作業性能歷史。據預測,如果南非金礦能有效地組織預測性維修,其采金業可節約10億蘭特/a左右(當前的1蘭特約合人民幣0.42元)[66]。

        20世紀90年代中期,美國礦山局組織了久益公司16CM連續采煤機在線故障診斷和維修系統研發,主要針對連續采煤機的液壓系統、電氣系統和電機系統。液壓傳感器監測流體壓力、流量、溫度,液位及過量污染物,傳感器數據由BITBUS系統進行實時計算機網絡采集。電氣診斷系統檢測59個輸入數據點,通過專家診斷系統,能發現16種常見故障。電動機在線監測系統能同時監測連續采煤機的6臺電機的絕緣電阻參數,這些參數輸入數據庫,可以分析長時間內的絕緣性能變化趨勢,預測電機殘余壽命[67]。

        在我國,1998年李文英等[68]提出了采煤機牽引液壓系統的主動預防性維修策略,對AM500型采煤機牽引液壓系統實施主動預防性維修,從而大幅度降低了液壓系統故障,減少液壓的配件損耗,可以有效避免因油液污染引起的磨損、卡滯、孔口堵塞等故障的發生。1999年,員創治等[69]開展了采煤機液壓系統預知性維修,以油液的油質分析和油中微粒分析檢測,獲得設備內部磨損信息,根據設定的閾值進行維修,現場應用表明,液壓系統故障率從6.30%降為0.44%,影響產量從4 980 t降至375 t。2015年,張永強等[70]研發出基于RCM的煤礦機電設備維修管理系統,包含用戶信息管理、設備信息管理、備件信息管理、設備維修信息管理、制造商供應商管理、統計報表管理、系統信息查詢管理、系統維護管理和RCM分析等模塊,用于MG500/1130-WD采煤機牽引電機維修管理,通過400 h定檢信息比較,RCM維修管理的維修時間比傳統的預防維修減少5 d,人員由5人降為3人,提高了設備維修可靠性。2013年,吳行標等[71]研發出基于可靠性分析的采煤機健康監測系統,包括無線監測裝置、工作面巷道上位機和井上監測中心,基于故障樹分析和故障模式影響及危害性分析,建立采煤機故障數據庫,形成采煤機健康度監測系統軟件,可用于提高采煤機維修可靠性。2020年,王曉云[72]介紹了神華準能集團建設的礦山設備預測性維修大數據分析系統,包括前端數據采集、中層數據傳輸與存儲(狀態監測)、后端數據分析及系統優化(故障診斷、狀態預測、維修決策)等模塊,該系統用于MT4400礦用卡車收集數據的大數據分析及預測性維修決策。

        6 結語

        采煤機可靠性一直是其發展過程中的關鍵問題,隨著設計、材料、信息、控制等技術不斷進步,采煤機可靠性也穩步提升??傮w來看,國產采煤機的可靠性指標與國外產品還有一定的差距,筆者認為有以下幾個原因。

        (1)國外對采煤機關鍵部件、材料性能和質量保證的要求十分嚴格,遇到特殊需求則會組織專題研發突破,而國內制造商相對缺少創新理念和實力,多以已有技術為支撐,導致采煤機使用可靠性提升速度受到制約。

        (2)國外的采煤機結構設計理念創新力強,無論是多電機驅動、模塊式結構、高壓供電技術,還是故障診斷技術、安全保護技術、設備維修方式,原創性樣機均出自國外,國產采煤機多處于模仿和跟跑階段,只在采煤機功率增大、產量放大上有提高,缺少從無到有的技術創新。

        (3)采煤機可靠性是一個全壽命周期的質量指標,它涵蓋可靠性設計、可靠性增強、可靠性材料、可靠性運維等多方面技術水平,其水平高低既由產品制造質量影響,也受用戶運維水平影響,因此廠家和用戶構成了一個可靠性保障共同體,目前還缺少數字化、網絡化、智能化的采煤機運維平臺。

        (4)國外采煤機的定型、牌號、參數都是制造商根據市場需求和客戶要求而自主確定,擁有自主知識產權和獨特設計的部件模塊,而我國采煤機牌號統一、參數差別不大,在約600臺/a的有限市場容量下,10多家制造企業以競價贏得市場,沒有把定量化的可靠性指標作為用戶選擇產品的重要依據。換言之,采煤機售價高低與其可靠性好壞沒有強關聯性。

        致 謝:謹以此文向為我國采煤機可靠性技術發展做出卓越貢獻的前輩們致敬!作者致謝為本文索引資料提供便利的中國知網、百度咨詢、360百科等信息平臺。本文述及的采煤機技術研發年份可能有偏差,請讀者幫助校正和補充。

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        The developmen thistory of coal shearer technology (Part eight)——reliability technology

        GE Shirong1,2

        (1. School of Mechanical, Electrical & Information Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. Institute of Intelligent Mines & Robotics, China University of Mining and Technology-Beijing, Haidiang, Beijing 100083, China)

        Abstract Coal shearer runs in the harsh environment of coal mine, its reliability restricts the high cutting efficiency and high intelligence of the sheare, and has a crucial influence on coal production, cost and even safe production. Therefore, it is very important to improve the reliability of shearer from four aspects, including reliability design, reliability enhancement, reliability materials and reliability operation and maintenance. From the experience of shearer research and develepment at home and abroad, the reliability design focuses on the design innovation of component reliability, tribology reliability, structure redundancy, environment adaptability, functional modularity and safety protection devices. Reliability enhancement methods include the improvement and innovation of structural reliability, traction reliability, drive reliability and power supply reliability. The key aspects for material reliability consist of the selection and strength of gear material, driving wheel material, sliding boot material, cutting tooth material, rocker arm material and cutting drum material. The quality of reliability operation and maintenance lies in the effective implementation of overload protection technology, failure monitoring and diagnosis and predictive maintenance. According to the quantitative analysis, there is still a gap between the reliability of domestic manufactured shearers and the foreign products. The above four aspects of reliability improvement were helpful to rapidly improve the reliability of the coal shearer made by Chinese companies.

        Key words coal shearer, development history, reliability technology, reliability design, reliability enhancement, reliability materials, reliability operation and maintenance

        中圖分類號 TD421

        文獻標志碼 A

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        引用格式:葛世榮. 采煤機技術發展歷程(八)——可靠性技術[J]. 中國煤炭,2021,47(1):11-26. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.002

        GE Shirong.The development history of coal shearer technology (Part eight)——reliability technology[J]. China Coal, 2021, 47(1):11-26. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.01.002

        作者簡介:葛世榮(1963-), 男, 漢族, 浙江天臺人,教授,中國礦業大學(北京)校長,從事智能采礦裝備、摩擦可靠性工程研究。 E-mail: gesr@cumtb.edu.cn

        (責任編輯 郭東芝)

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