综采电气控制

    进入21世纪以来，中国引进国外先进地下采煤作业的现代化设备越来越多，
微机控制的应用已经很普遍。中国消化、吸收国外先进技术，设计制造出现代化
的综合机械化采煤设备，其技术性能也日趋完善，但到目前为止，有关综合机械
采煤设备电气控制的高职高专教材基本上是空白，为满足煤炭生产发展的需要和
有关高职高专学校及现场工程技术人员的急需而编写此书。
    本书题材来源于目前中国较先进矿井的实际使用设备。在内容选取上兼顾中
国煤矿生产的实际，反映目前中国引进的先进综合连续采煤设备和部分国产设备
现状，全面、系统地介绍了工作原理，并考虑到高职高专院校培养目标，增加了
部分操作和维护知识。
    全书共六章，**章、第二章的**、二、三节由山西大同大学工学院张宝
红副教授编写，第二章的第四节、第三章由山西大同大学工学院薛尚红副教授编
写，第四章、第五章由山西大同大学刘蕴哲副教授编写，并负责全书统稿，第六
章由北岳职业技术学院栗红梅编写，全书由山西大同大学工学院穆连生副教授担
任主审。
    本书为山西大同大学资助项目，在编写过程中得到山西大同大学、神东煤炭
公司、大同煤矿集团公司的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
    由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
  编者
2008年1月

第四章  掘进机电气控制系统
**节概  述
    一、掘进机
    巷道掘进机是一种能够完成截割、装载、转载煤岩，并能自己行走，具有喷雾灭尘等功
能的巷道掘进联合机组，根据工作方式的不同可分为全断面掘进机和部分断面掘进机。前者
可一次截割出所需断面，且断面形状多为圆形，主要用于工程涵洞及隧道的岩石掘进；后者
一次仅能截割断面一部分，需工作机构上下左右多次摆动、移动，逐渐截割才能掘出所需断
面，断面形状可以是矩形、梯形、拱形等，其中悬臂式部分断面掘进机在煤矿中使用很
普遍。
    1．掘进机发展概况
    悬臂式掘进机发展至今大致经历了以下四个阶段。
    **阶段：20世纪40年代末期到60年代中期，悬臂式掘进机从无到有，逐渐发展成
为将截割、装运、行走等功能集于一体的联合机组，并在煤巷掘进中应用获得成功。在这个
阶段应用的机组为**代机型，其特点是机器重量在15t左右，截割功率30kW左右，主要
用于软煤巷道掘进，代表机型有前苏联的TVK一3和匈牙利的F等。
    第二阶段：20世纪60年代中期到70年代末期，这个阶段煤巷掘进机发展迅速，机器
的性能不断提高，大量掘进机被用于煤巷掘进中。这个阶段的机型为第二代机型，其特点
是：煤巷掘进技术性能日趋完善成熟，适用范围扩大，部分截割功率大的机型有过断层和截
割夹矸的能力，可截割硬度／<6的煤岩，机重在20～40t，截割功率在55～lOOkW，代表
机型有RH25、AM-50、MRH—SlOO一41、4ITT[一2等。
    第三阶段：20世纪70年代末期到80年代后期，掘进机适用范围进一步扩大，半煤岩
重型掘进机不断涌现，技术逐渐成熟。煤巷掘进机的功能齐全，可靠性大幅度提高。这个阶
段机型为第三代机型，其特点是：机器重量增大，一般在50t左右，截割功率150～
200kW，可截割硬度／一8～10的煤岩，代表机型有AM-75、LH一1300、E169、E134、
4111[一5、S125—24等。
    第四阶段：20世纪80年代后期到现在，掘进机技术性能仍在继续发展，计算机控制、
正常运行监控、故障诊断及其他高新技术逐渐被采用。这个阶段的机型为第四代机型，其特
点是机器重量进一步增加，一般在70t左右，截割功率也在增大，一般都在200kW以上，
可截割硬度在／>10的煤岩，其代表机型有AM-85、AM一105、E200、E250、S200—50等。
    中国悬臂式掘进机的研制从1965年引进前苏联K-3型掘进机开始，并由设计、制造、使
用单位共同参与生产了一些小型掘进机，用于煤巷掘进，但发展不快。从1979年开始，中国
大量从英国、德国、奥地利、日本、前苏联、匈牙利等国引进掘进机，品种约20多种，数量
超过200台，对中国煤矿巷道机械化掘进机的消化、吸收、研制起到了推动和促进作用。自70
年代中期以来，中国先后研制出EL-90、EMS-75、EBJ一110、ELMB-75B、EZ-75、EBJ一132、
EBH一132等机型；另外，从引进的掘进机中经过筛选、引进技术，分别生产出AM-50、S一100
型掘进机，其中有些机型已批量生产，在煤矿中推广使用。目前，中国已形成了掘进机研究、
 设计、制造、使用骨干队伍，为掘进机的进一步发展创造了有利条件。
    当前，中国生产的掘进机基本属于第二代机型，截割功率在30～130kW之间，适用于
截割岩石硬度在／一6左右的巷道，这些产品已初步形成系列，性能正在不断完善。另外，
第三代机型也已研制成功，如EBJ一160型，截割功率160kW，机重60t左右，已通过技术鉴
定，正组织批量生产，推广使用。1997年中国还签订了引进S200—50型掘进机的制造技术
协议，为发展第三、四代机型创造了有利条件。
    2．掘进机技术发展趋势
    悬臂式掘进机工作条件恶劣，工作场地狭窄，外形尺寸受到严格限制，机器结构也比较
复杂，涉及机械、电气、液压、材质、工艺、冷却、除尘等一系列技术领域。随着高产高效
日产万吨以下综采工作面的出现，要求掘进速度必须大大加快，掘进机的性能更加完善。当
前悬臂式部分断面掘进机技术发展有下述一些特点，并面l临连续采煤机的挑战。
    ①不断扩大适用范围，具有在复杂条件下正常工作的性能。国外新型掘进机的截割功
率及重量都在增加，截割能力不断提高，截割硬度可达100MPa以上，不仅可截割硬煤、半
煤岩，还可在钾矿、盐矿及隧洞等工程中应用。部分重型掘进机在不移位情况下，截割断面
可达35～42mz，所掘断面形状除拱形、梯形、矩形外，有的机型配上掩护板还可掘圆形断
面。另外，掘进机的爬坡能力也在提高，多数都能在纵向±16。的坡上可靠地工作；履带也
有加宽趋势，在机器加重后，不会过于增大对巷道底板比压，以扩大适用范围。
    ②进一步提高可靠性。掘进机的工作对象主要是煤岩及部分矿物，工作时振动冲击都
很大，因此要求其在井下能长期连续工作。例如，英国对截割减速箱设计寿命制定的标准是
50000h，并要通过实验进行严格考核。在液压、电气元部件的选项上，要进行严格筛选，
许多重要及关键元件都选用世界名牌产品，而且在性能参数方面都具有比较大的安全储备，
一般常是实际工作工况参数的两倍。在制造时，所选用的是优质材料，其强度等性能都很
好。另外在设计过程中，尽量采用独立部件或组件，便于拆装检修。
    ③提高机电一体化程度。现代掘进机采用新型实用技术，使掘进机的性能更加完善。
当前已被应用或正在试用的新技术有以下两种。
    a．现代控制技术：包括推进方向的控制(可控制和纠正掘进机与标准位置的平行偏差
和角度偏差)，断面尺寸的控制，避免施工中出现超挖、浪费人力和物力，截割电动机功率
自动调节、离机遥控等。
    b．掘进机工况监测和故障诊断：包括供电电压，电动机负荷与温升监测，液压系统
油压、油温、污染的监测，减速器油温、油液污染和轴承温度监测等。现有掘进机的监
视系统已达到25个测点以上，只要有足够的传感器或传感装置，就可对需要的任何部位
进行监测。
    ④探索新的截割技术。20世纪70年代初，美国将高压水细射流引入悬臂式掘进机用来
辅助截割，即在截齿为主要截割的同时，充分利用高压水射流撞击、侵蚀、液压楔等腹胀，
达到破碎坚硬岩石的目的。德国在实验室做过试验，在水压为150～180MPa时，就有辅助
切割作用并用压力为200MPa的高压水射流(动力为350kW)配合平均截割功率120kW的
截割头，即可截割坚硬的岩石。这种岩石如果用截割功率470kW的重型掘进机截割，则很
不经济，甚至无法截割。但用高压水射流，尤其当其压力大于200MPa以上时，其元件研制
的难度很大，回转密封等问题也不易解决，研制费用也很高，因而近几年发展不快。另外，
俄罗斯图拉工业技术大学帕烈湟尔等教授研制出冲击扭矩截割技术，其工作原理是在原掘进
机截割头传动系统变动不大的基础上，加了一套冲击扭矩加载机构，使截割头在正常截割的
同时，又得到每分钟3000次的冲击扭矩，通过截齿作用到煤岩上。根据俄罗斯改装的
IⅡKC样机试验的结果，改装后的掘进机能掘／一7～8的煤岩，生产率提高30％～35％。
     ⑤提高掘进机综合配套能力。当前掘进机利用率低，没有充分发挥作用，在很大程度
上与综合配套能力低、配套不完善有关。掘进系统中的主要配套环节，包括支护、转载、运
输、供电、供水、通风、除尘等。其中，支护与辅助运输工作量*大，占时间*多，若不解
决好这两个环节中存在的问题，掘进机的潜力约有一半不能发挥。为了缩短支护时间，当顶
板中等稳定时，常用机载锚杆打锚杆支护；而顶板条件差时，掘进一架棚距后必须紧跟着架
一架棚子或打一排锚杆，严格控制空顶距，截割与支护不能平行作业。国外用单轨吊运送支
护材料，用各种机械扳手拧螺母，而国内多用人工，有时用掘进机上的托梁器协助架棚。为
了实现掘进与支护平行作业，运用超前液压支架或主机自带盾牌式掩护支护，但使用效果均
不理想，所以直至现在，解决迎头临时支护设备仍是各国研制的主要目标。在辅助运输方
面，国外主要运用单轨吊或无极绳卡轨车。在煤岩运输方面，通常采用桥式转载机，后配带
式输送机，有条件的还设置了活动煤仓。目前转载机只转载煤岩外运，功能比较单一，正在
研制自移式转载机，功能将增加。通风除尘方面，在巷道内或主机上设置干式布袋除尘装
置，配合内外喷雾防尘。英国用空气幕隔离方式，保护工作面的操作人员。国内采用伸缩风
筒实现抽出式通风。供电方面，英国有一种线路电压补偿器，可解决供电距离在3kin以内
启动电压下降过大的问题，另外应提高掘进电压等级，逐步实现1140V供电。
  二、连续采煤机
  1．连续采煤机发展简况
  连续采煤机是美国现代化采掘设备，也有近半个世纪的发展过程。
  美国煤层大多数是近水平煤层，且以中厚煤层居多，地质构造简单。20世纪60年代以
前，用房式或房柱式采煤方法开采，连续采煤机主要作为生产型设备使用，得到了迅速发展
和广泛使用。20世纪60年代以后，美国推广走向长壁采煤法获得显著经济效益，此时，连
续采煤机又作为工作面运输、通风巷道的快速掘进设备，成为当今美国高产高效综采工作面
装备中必不可少的设备。
    自1949年美国利诺斯(LEE-NORSE)公司研制成功**台连续采煤机以来，其发展
过程如按落煤机构的演变来划分，大体经历了三个发展阶段。
    ①**阶段：20世纪40年代，截链式连续采煤机。这一时期的连续采煤机采用截链式
落煤机构和螺旋清煤装置。其优点是机器灵活性好，适用于不同的开采条件，可开采煤炭、
钾碱、铝土矿、硼砂、页岩及永冻土；缺点是结构复杂，装煤效果差，截割头宽度窄，生产
能力低。其代表机型有利诺斯公司的CM28H型和久益公司的3JCM型、6CM型。
    ②第二阶段：20世纪50年代，摆动式截割头连续采煤机。这一时期的采煤机采用带
2～3个截齿环的摆动式截割头落煤机构和装煤臂清煤装置。其优点是生产能力高、装煤效果
好；缺点是摆动头振动大，维护费用高。这种机型由于装煤技术上的改进，生产能力较高，
受到市场普遍欢迎。其代表机型为久益公司的8CM“ROTO'’式采煤机。
    ③第三阶段：20世纪60年代至今，滚筒式连续采煤机。20世纪60年代末出现了生产
能力大、截割效率高、装煤机构简单可靠的滚筒式连续采煤机，从而完全取代了摆动式截割
头连续采煤机。20世纪60年代末，美国久益公司先后推出10CM和11CM系列连续采煤
机，这两系列的机型是现代连续采煤机的雏形，其技术发展过程有一定代表性。
    IOCM系列的截割头宽度固定不变，由2个外滚筒和1个中心截割链组成，采用扒爪式
装煤装置与宽畅62mm的中间输送机相配合，生产能力8～12t／rain，行走履带独立驱动，
多电机布置，结构紧凑，机器能截割90。转弯的横川。11CM系列除保持10CM系列设计特
点外，在提高机器可靠性方面有两个显著进步，一是截割电动机有纵向布置改为横向布置；
另一个是行走履带采用2台双速交流电动机驱动，取代了传统的液压传动。