綜采電氣控制 節選

    進入21世紀以來，中國引進國外先進地下采煤作業的現代化設備越來越多，
微機控制的應用已經很普遍。中國消化、吸收國外先進技術，設計制造出現代化
的綜合機械化采煤設備，其技術性能也日趨完善，但到目前為止，有關綜合機械
采煤設備電氣控制的高職高專教材基本上是空白，為滿足煤炭生產發展的需要和
有關高職高專學校及現場工程技術人員的急需而編寫此書。
    本書題材來源于目前中國較先進礦井的實際使用設備。在內容選取上兼顧中
國煤礦生產的實際，反映目前中國引進的先進綜合連續采煤設備和部分國產設備
現狀，全面、系統地介紹了工作原理，并考慮到高職高專院校培養目標，增加了
部分操作和維護知識。
    全書共六章，**章、第二章的**、二、三節由山西大同大學工學院張寶
紅副教授編寫，第二章的第四節、第三章由山西大同大學工學院薛尚紅副教授編
寫，第四章、第五章由山西大同大學劉蘊哲副教授編寫，并負責全書統稿，第六
章由北岳職業技術學院栗紅梅編寫，全書由山西大同大學工學院穆連生副教授擔
任主審。
    本書為山西大同大學資助項目，在編寫過程中得到山西大同大學、神東煤炭
公司、大同煤礦集團公司的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。
    由于編者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。
  編者
2008年1月

第四章  掘進機電氣控制系統
**節概  述
    一、掘進機
    巷道掘進機是一種能夠完成截割、裝載、轉載煤巖，并能自己行走，具有噴霧滅塵等功
能的巷道掘進聯合機組，根據工作方式的不同可分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機。前者
可一次截割出所需斷面，且斷面形狀多為圓形，主要用于工程涵洞及隧道的巖石掘進；后者
一次僅能截割斷面一部分，需工作機構上下左右多次擺動、移動，逐漸截割才能掘出所需斷
面，斷面形狀可以是矩形、梯形、拱形等，其中懸臂式部分斷面掘進機在煤礦中使用很
普遍。
    1．掘進機發展概況
    懸臂式掘進機發展至今大致經歷了以下四個階段。
    **階段：20世紀40年代末期到60年代中期，懸臂式掘進機從無到有，逐漸發展成
為將截割、裝運、行走等功能集于一體的聯合機組，并在煤巷掘進中應用獲得成功。在這個
階段應用的機組為**代機型，其特點是機器重量在15t左右，截割功率30kW左右，主要
用于軟煤巷道掘進，代表機型有前蘇聯的TVK一3和匈牙利的F等。
    第二階段：20世紀60年代中期到70年代末期，這個階段煤巷掘進機發展迅速，機器
的性能不斷提高，大量掘進機被用于煤巷掘進中。這個階段的機型為第二代機型，其特點
是：煤巷掘進技術性能日趨完善成熟，適用范圍擴大，部分截割功率大的機型有過斷層和截
割夾矸的能力，可截割硬度／<6的煤巖，機重在20～40t，截割功率在55～lOOkW，代表
機型有RH25、AM-50、MRH—SlOO一41、4ITT[一2等。
    第三階段：20世紀70年代末期到80年代后期，掘進機適用范圍進一步擴大，半煤巖
重型掘進機不斷涌現，技術逐漸成熟。煤巷掘進機的功能齊全，可靠性大幅度提高。這個階
段機型為第三代機型，其特點是：機器重量增大，一般在50t左右，截割功率150～
200kW，可截割硬度／一8～10的煤巖，代表機型有AM-75、LH一1300、E169、E134、
4111[一5、S125—24等。
    第四階段：20世紀80年代后期到現在，掘進機技術性能仍在繼續發展，計算機控制、
正常運行監控、故障診斷及其他高新技術逐漸被采用。這個階段的機型為第四代機型，其特
點是機器重量進一步增加，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的煤巖，其代表機型有AM-85、AM一105、E200、E250、S200—50等。
    中國懸臂式掘進機的研制從1965年引進前蘇聯K-3型掘進機開始，并由設計、制造、使
用單位共同參與生產了一些小型掘進機，用于煤巷掘進，但發展不快。從1979年開始，中國
大量從英國、德國、奧地利、日本、前蘇聯、匈牙利等國引進掘進機，品種約20多種，數量
超過200臺，對中國煤礦巷道機械化掘進機的消化、吸收、研制起到了推動和促進作用。自70
年代中期以來，中國先后研制出EL-90、EMS-75、EBJ一110、ELMB-75B、EZ-75、EBJ一132、
EBH一132等機型；另外，從引進的掘進機中經過篩選、引進技術，分別生產出AM-50、S一100
型掘進機，其中有些機型已批量生產，在煤礦中推廣使用。目前，中國已形成了掘進機研究、
 設計、制造、使用骨干隊伍，為掘進機的進一步發展創造了有利條件。
    當前，中國生產的掘進機基本屬于第二代機型，截割功率在30～130kW之間，適用于
截割巖石硬度在／一6左右的巷道，這些產品已初步形成系列，性能正在不斷完善。另外，
第三代機型也已研制成功，如EBJ一160型，截割功率160kW，機重60t左右，已通過技術鑒
定，正組織批量生產，推廣使用。1997年中國還簽訂了引進S200—50型掘進機的制造技術
協議，為發展第三、四代機型創造了有利條件。
    2．掘進機技術發展趨勢
    懸臂式掘進機工作條件惡劣，工作場地狹窄，外形尺寸受到嚴格限制，機器結構也比較
復雜，涉及機械、電氣、液壓、材質、工藝、冷卻、除塵等一系列技術領域。隨著高產高效
日產萬噸以下綜采工作面的出現，要求掘進速度必須大大加快，掘進機的性能更加完善。當
前懸臂式部分斷面掘進機技術發展有下述一些特點，并面l臨連續采煤機的挑戰。
    ①不斷擴大適用范圍，具有在復雜條件下正常工作的性能。國外新型掘進機的截割功
率及重量都在增加，截割能力不斷提高，截割硬度可達100MPa以上，不僅可截割硬煤、半
煤巖，還可在鉀礦、鹽礦及隧洞等工程中應用。部分重型掘進機在不移位情況下，截割斷面
可達35～42mz，所掘斷面形狀除拱形、梯形、矩形外，有的機型配上掩護板還可掘圓形斷
面。另外，掘進機的爬坡能力也在提高，多數都能在縱向±16。的坡上可靠地工作；履帶也
有加寬趨勢，在機器加重后，不會過于增大對巷道底板比壓，以擴大適用范圍。
    ②進一步提高可靠性。掘進機的工作對象主要是煤巖及部分礦物，工作時振動沖擊都
很大，因此要求其在井下能長期連續工作。例如，英國對截割減速箱設計壽命制定的標準是
50000h，并要通過實驗進行嚴格考核。在液壓、電氣元部件的選項上，要進行嚴格篩選，
許多重要及關鍵元件都選用世界名牌產品，而且在性能參數方面都具有比較大的安全儲備，
一般常是實際工作工況參數的兩倍。在制造時，所選用的是優質材料，其強度等性能都很
好。另外在設計過程中，盡量采用獨立部件或組件，便于拆裝檢修。
    ③提高機電一體化程度。現代掘進機采用新型實用技術，使掘進機的性能更加完善。
當前已被應用或正在試用的新技術有以下兩種。
    a．現代控制技術：包括推進方向的控制(可控制和糾正掘進機與標準位置的平行偏差
和角度偏差)，斷面尺寸的控制，避免施工中出現超挖、浪費人力和物力，截割電動機功率
自動調節、離機遙控等。
    b．掘進機工況監測和故障診斷：包括供電電壓，電動機負荷與溫升監測，液壓系統
油壓、油溫、污染的監測，減速器油溫、油液污染和軸承溫度監測等。現有掘進機的監
視系統已達到25個測點以上，只要有足夠的傳感器或傳感裝置，就可對需要的任何部位
進行監測。
    ④探索新的截割技術。20世紀70年代初，美國將高壓水細射流引入懸臂式掘進機用來
輔助截割，即在截齒為主要截割的同時，充分利用高壓水射流撞擊、侵蝕、液壓楔等腹脹，
達到破碎堅硬巖石的目的。德國在實驗室做過試驗，在水壓為150～180MPa時，就有輔助
切割作用并用壓力為200MPa的高壓水射流(動力為350kW)配合平均截割功率120kW的
截割頭，即可截割堅硬的巖石。這種巖石如果用截割功率470kW的重型掘進機截割，則很
不經濟，甚至無法截割。但用高壓水射流，尤其當其壓力大于200MPa以上時，其元件研制
的難度很大，回轉密封等問題也不易解決，研制費用也很高，因而近幾年發展不快。另外，
俄羅斯圖拉工業技術大學帕烈湟爾等教授研制出沖擊扭矩截割技術，其工作原理是在原掘進
機截割頭傳動系統變動不大的基礎上，加了一套沖擊扭矩加載機構，使截割頭在正常截割的
同時，又得到每分鐘3000次的沖擊扭矩，通過截齒作用到煤巖上。根據俄羅斯改裝的
IⅡKC樣機試驗的結果，改裝后的掘進機能掘／一7～8的煤巖，生產率提高30％～35％。
     ⑤提高掘進機綜合配套能力。當前掘進機利用率低，沒有充分發揮作用，在很大程度
上與綜合配套能力低、配套不完善有關。掘進系統中的主要配套環節，包括支護、轉載、運
輸、供電、供水、通風、除塵等。其中，支護與輔助運輸工作量*大，占時間*多，若不解
決好這兩個環節中存在的問題，掘進機的潛力約有一半不能發揮。為了縮短支護時間，當頂
板中等穩定時，常用機載錨桿打錨桿支護；而頂板條件差時，掘進一架棚距后必須緊跟著架
一架棚子或打一排錨桿，嚴格控制空頂距，截割與支護不能平行作業。國外用單軌吊運送支
護材料，用各種機械扳手擰螺母，而國內多用人工，有時用掘進機上的托梁器協助架棚。為
了實現掘進與支護平行作業，運用超前液壓支架或主機自帶盾牌式掩護支護，但使用效果均
不理想，所以直至現在，解決迎頭臨時支護設備仍是各國研制的主要目標。在輔助運輸方
面，國外主要運用單軌吊或無極繩卡軌車。在煤巖運輸方面，通常采用橋式轉載機，后配帶
式輸送機，有條件的還設置了活動煤倉。目前轉載機只轉載煤巖外運，功能比較單一，正在
研制自移式轉載機，功能將增加。通風除塵方面，在巷道內或主機上設置干式布袋除塵裝
置，配合內外噴霧防塵。英國用空氣幕隔離方式，保護工作面的操作人員。國內采用伸縮風
筒實現抽出式通風。供電方面，英國有一種線路電壓補償器，可解決供電距離在3kin以內
啟動電壓下降過大的問題，另外應提高掘進電壓等級，逐步實現1140V供電。
  二、連續采煤機
  1．連續采煤機發展簡況
  連續采煤機是美國現代化采掘設備，也有近半個世紀的發展過程。
  美國煤層大多數是近水平煤層，且以中厚煤層居多，地質構造簡單。20世紀60年代以
前，用房式或房柱式采煤方法開采，連續采煤機主要作為生產型設備使用，得到了迅速發展
和廣泛使用。20世紀60年代以后，美國推廣走向長壁采煤法獲得顯著經濟效益，此時，連
續采煤機又作為工作面運輸、通風巷道的快速掘進設備，成為當今美國高產高效綜采工作面
裝備中必不可少的設備。
    自1949年美國利諾斯(LEE-NORSE)公司研制成功**臺連續采煤機以來，其發展
過程如按落煤機構的演變來劃分，大體經歷了三個發展階段。
    ①**階段：20世紀40年代，截鏈式連續采煤機。這一時期的連續采煤機采用截鏈式
落煤機構和螺旋清煤裝置。其優點是機器靈活性好，適用于不同的開采條件，可開采煤炭、
鉀堿、鋁土礦、硼砂、頁巖及永凍土；缺點是結構復雜，裝煤效果差，截割頭寬度窄，生產
能力低。其代表機型有利諾斯公司的CM28H型和久益公司的3JCM型、6CM型。
    ②第二階段：20世紀50年代，擺動式截割頭連續采煤機。這一時期的采煤機采用帶
2～3個截齒環的擺動式截割頭落煤機構和裝煤臂清煤裝置。其優點是生產能力高、裝煤效果
好；缺點是擺動頭振動大，維護費用高。這種機型由于裝煤技術上的改進，生產能力較高，
受到市場普遍歡迎。其代表機型為久益公司的8CM“ROTO'’式采煤機。
    ③第三階段：20世紀60年代至今，滾筒式連續采煤機。20世紀60年代末出現了生產
能力大、截割效率高、裝煤機構簡單可靠的滾筒式連續采煤機，從而完全取代了擺動式截割
頭連續采煤機。20世紀60年代末，美國久益公司先后推出10CM和11CM系列連續采煤
機，這兩系列的機型是現代連續采煤機的雛形，其技術發展過程有一定代表性。
    IOCM系列的截割頭寬度固定不變，由2個外滾筒和1個中心截割鏈組成，采用扒爪式
裝煤裝置與寬暢62mm的中間輸送機相配合，生產能力8～12t／rain，行走履帶獨立驅動，
多電機布置，結構緊湊，機器能截割90。轉彎的橫川。11CM系列除保持10CM系列設計特
點外，在提高機器可靠性方面有兩個顯著進步，一是截割電動機有縱向布置改為橫向布置；
另一個是行走履帶采用2臺雙速交流電動機驅動，取代了傳統的液壓傳動。