煤礦機械裝備實驗室建設(shè)實踐

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摘要：企業(yè)實驗室是企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主體，煤礦機械裝備綜合實驗室是國家發(fā)改委在煤炭行業(yè)布局創(chuàng)新主體的內(nèi)容之一。本文從行業(yè)背景、目標定位出發(fā)，重點研究探討了煤礦機械裝備綜合實驗室建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，模擬工況環(huán)境設(shè)計，測試實驗技術(shù)，數(shù)據(jù)處理平臺構(gòu)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(xué)和控制實驗平臺建設(shè)方案并完成實施，經(jīng)實踐達到了預(yù)期效果，對進行新一代自動化、智能化工作面成套設(shè)備技術(shù)開發(fā)發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：煤礦機械；企業(yè)實驗室；模擬工況環(huán)境；數(shù)據(jù)處理平臺

隨著采煤工業(yè)高速發(fā)展，煤機裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)的載體和高新技術(shù)轉(zhuǎn)化為煤炭先進生產(chǎn)力的橋梁空前活躍，我國煤機采掘裝備業(yè)近年來發(fā)展迅速，產(chǎn)品等級更新較快，就采煤機、刮板機、掘進機、液壓支架等設(shè)備的最大裝機功率、最大支撐阻力和生產(chǎn)規(guī)模而言，已達到或超過國外先進煤機企業(yè)產(chǎn)品水平。但就整機綜合性能、可靠性、自動化程度、關(guān)鍵元部件性能等方面與國外DBT、JOY、Eickhoff等先進煤機企業(yè)的產(chǎn)品仍有較大差距[1-5]。同時，因缺少試驗、檢測手段，國內(nèi)采掘設(shè)備完成研制后，只能直接到用戶處進行井下試驗，出現(xiàn)問題不僅解決困難，同時給用戶和制造企業(yè)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(chǎn)品方向的發(fā)展。國家發(fā)改委批準建設(shè)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(shè)目標定位，關(guān)鍵技術(shù)，模擬工況環(huán)境設(shè)計，測試實驗技術(shù)，數(shù)據(jù)處理平臺構(gòu)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(xué)和控制實驗平臺建設(shè)方案并完成實施，闡述了建設(shè)理念與實現(xiàn)過程。

1煤礦機械裝備綜合實驗室目標定位

縱觀國內(nèi)外煤礦采掘機械試驗設(shè)備，我國液壓支架試驗設(shè)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(tǒng)仍未建立。德國、英國、美國等國家的煤礦機械產(chǎn)品質(zhì)量之所以穩(wěn)定，與這些國家有先進和完備的質(zhì)量、性能檢測手段密不可分。前蘇聯(lián)對采掘機械的試驗有國家標準，對產(chǎn)品出廠和新產(chǎn)品研發(fā)、定型有明確的規(guī)定，經(jīng)過如此嚴格的質(zhì)量檢查，產(chǎn)品質(zhì)量必然得到保證。我們從美國、德國引進的連續(xù)采煤機、掘進機和綜采成套設(shè)備，幾十年來，質(zhì)量一直穩(wěn)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(guān)。煤礦機械裝備綜合實驗室建設(shè)目標定位是：以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合為基礎(chǔ)，搭建創(chuàng)新平臺，解決煤礦采掘裝備領(lǐng)域研發(fā)實驗手段落后、基礎(chǔ)研究與工程技術(shù)開發(fā)之間脫節(jié)問題，突破行業(yè)普遍存在的“理論無支撐、設(shè)計靠經(jīng)驗、驗證靠現(xiàn)場、整體配套不協(xié)調(diào)、各單機發(fā)展不均衡”等技術(shù)瓶頸，推動采掘裝備向“自動化、智能化、無人化”方向發(fā)展。建立產(chǎn)學(xué)研用有機結(jié)合、科研與應(yīng)用相互促進的長效機制，形成具有行業(yè)領(lǐng)先水平、結(jié)構(gòu)合理的創(chuàng)新平臺，實現(xiàn)技術(shù)開發(fā)，生產(chǎn)試制及科研成果產(chǎn)業(yè)化功能，培育和掌握一批戰(zhàn)略高技術(shù)和前沿技術(shù)，搶占高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，為我國煤炭高效安全采掘提供裝備技術(shù)保障和支持。

2煤礦機械裝備綜合實驗室建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

該實驗室建設(shè)在張家口裝備產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是目前世界最大、國內(nèi)煤機裝備制造業(yè)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(shè)備(儀器)104臺（套),包括模擬煤壁作業(yè)實驗平臺，液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、刨煤機等工作面設(shè)備，以及試驗檢測儀器、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。項目總投資2.5億元，中央預(yù)算內(nèi)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(shè)的先進性，在建設(shè)初期，項目組在考察了GE全球研發(fā)中心、波蘭采礦技術(shù)研究院(KO-MAG)、德國埃森研究中心（DMT）、柏林工業(yè)大學(xué)等機構(gòu)實驗室建設(shè)情況基礎(chǔ)上，形成了建設(shè)方案，組織行業(yè)內(nèi)專家論證后，發(fā)現(xiàn)煤礦機械裝備綜合實驗室建設(shè)的關(guān)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(zhì)屬性，構(gòu)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(shè)計陪試設(shè)備；③測控數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)及軟件平臺設(shè)計。本節(jié)重點研究闡述解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1模擬工況條件設(shè)計

模擬工況條件建設(shè)關(guān)鍵是設(shè)計出模擬煤壁，項目組以現(xiàn)代材料測試手段為基礎(chǔ)，通過實驗測量及理論分析，獲得在力學(xué)破壞因素作用下模擬煤壁混凝土細觀結(jié)構(gòu)的改變量及相對應(yīng)的宏觀性能指標變化量，結(jié)合損傷力學(xué)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(shè)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(xué)破壞過程，實現(xiàn)在荷載因素下結(jié)構(gòu)破壞過程和非荷載作用下的結(jié)構(gòu)層細微豎向和橫向裂隙形成等問題。

2.1.1模擬煤壁設(shè)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(qū)陪試設(shè)備粗、細骨料的混凝土材料力學(xué)性能的主要物理、化學(xué)過程，采取人為改變材料細（微）觀構(gòu)成的措施，形成不同的節(jié)理和層理結(jié)構(gòu)。在完成模擬煤壁混凝土配合比設(shè)計研究，模擬煤壁結(jié)構(gòu)層人工微裂隙設(shè)計研究以及模擬煤壁澆筑施工工藝方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了采煤機工作面和刨煤機工作面兩套試驗?zāi)M系統(tǒng)，采煤機實驗系統(tǒng)模擬煤壁長度×寬度×高度為70m×4m×3m，刨煤機實驗系統(tǒng)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(nèi)應(yīng)力傳感器。

2.1.2模擬煤壁內(nèi)應(yīng)力測量

煤壁內(nèi)應(yīng)力測試目的是可測量煤壁澆筑后內(nèi)應(yīng)力變化；測量不同煤壁硬度內(nèi)應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)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(yù)埋壓力塊的方式進行內(nèi)應(yīng)力測量，采煤機工作面和刨煤機工作面分別預(yù)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(nèi)應(yīng)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(shù)量14個，考慮到布置信號方便，出線位置選擇在煤壁通風(fēng)道接縫處。

2.2陪試設(shè)備配套

主實驗區(qū)配置了陪試設(shè)備、綜合測試設(shè)備、綜合監(jiān)控設(shè)備、變頻及供配電設(shè)備、輔助設(shè)備等?？商峁?0000V、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(shè)備主要由采煤機、液壓支架、刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機組成。采煤機根據(jù)主實驗區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)情況（煤壁厚度為3m）和國內(nèi)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(jù)煤壁的高度，結(jié)合國內(nèi)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(xiàn)場無法真實再現(xiàn)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(shè)備向前推進后，也能夠?qū)⑺性O(shè)備拉回至原來位置；刮板輸送機根據(jù)采煤機的生產(chǎn)能力，選用SGZ1000/1050型刮板輸送機；轉(zhuǎn)載機選用SZZ1000/400型轉(zhuǎn)載機（圖2）。

2.3控制系統(tǒng)設(shè)計

綜采工作面成套設(shè)備試驗平臺除了試驗設(shè)備外，還配備了設(shè)備控制和監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機遠程控制系統(tǒng)、刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)、工作面語音通訊系統(tǒng)、工作面自動化集中控制系統(tǒng)等。其中液壓支架電液控制系統(tǒng)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(jiān)測支架工況，與工作面集中控制系統(tǒng)通訊，接收工作面集中控制系統(tǒng)的控制命令，傳輸液壓支架的工況數(shù)據(jù)至工作面集中控制系統(tǒng)。采煤機遠程控制系統(tǒng)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(tǒng)通訊，上傳采煤機工況運行參數(shù)，接收工作面集中控制系統(tǒng)命令等。刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集和監(jiān)測刮板輸送機運行工況參數(shù)，并將刮板輸送機運行數(shù)據(jù)傳輸給工作面集中控制系統(tǒng)。工作面語音通訊系統(tǒng)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(tǒng)主要是對工作面成套設(shè)備進行監(jiān)測和遠程控制，存儲各設(shè)備運行參數(shù)，對成套設(shè)備之間的運行參數(shù)進行分析，發(fā)送相應(yīng)的控制命令，實現(xiàn)成套設(shè)備的自動化運行。視頻控制系統(tǒng)主要是用于對工作面成套設(shè)備的運行工況進行實時視頻監(jiān)測，對人員的遠程干預(yù)提供依據(jù)。

2.4測控數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)建設(shè)

測控數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是此次試驗平臺建設(shè)的核心，通過在各個設(shè)備、煤壁上安裝傳感器，監(jiān)測各設(shè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件方案

實驗數(shù)據(jù)處理主要以應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)為主，傳感器選型與設(shè)計方面，考慮到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳感器強度兩方面，我們選擇的都是應(yīng)變輸出，采用應(yīng)變模塊進行數(shù)據(jù)采集。針對成套設(shè)備數(shù)據(jù)采集的多數(shù)據(jù)、復(fù)雜位置的特點主要分為三類數(shù)據(jù)：第一類數(shù)據(jù)是設(shè)備本身自帶的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸接口模塊對設(shè)備本身自帶接口數(shù)據(jù)進行接收，再通過無線網(wǎng)關(guān)接口傳輸至數(shù)據(jù)采集終端；第二類數(shù)據(jù)是通過加裝傳感器輸出的數(shù)據(jù)，設(shè)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(shù)據(jù)進行實時傳輸；第三類數(shù)據(jù)是通過加裝傳感器輸出的數(shù)據(jù)，設(shè)置采集模塊，通過采集模塊采集后通過存儲的方式對數(shù)據(jù)存儲，離線讀取。

2.4.2數(shù)據(jù)傳輸通訊方案

①有線數(shù)據(jù)通訊方式。有線數(shù)據(jù)傳輸方式是采用串行的數(shù)據(jù)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(nèi)應(yīng)力測試等不發(fā)生移動采集點的數(shù)據(jù)測量，主要優(yōu)點是成本低、采集數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。②無線數(shù)據(jù)傳輸通訊方式。無線數(shù)據(jù)傳輸方式是建立在無線傳感器技術(shù)上的一種數(shù)據(jù)采集傳輸方式，主要適用于旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)均采用無線通訊方式。采用不同的數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸采用統(tǒng)一的無線通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，保證接口的一致性。③存儲卡的離線數(shù)據(jù)通訊方式。無線通訊不能實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集采用存儲卡的離線數(shù)據(jù)通訊方式，此種通訊方式需要在設(shè)備傳感器一側(cè)加裝電池供電，數(shù)據(jù)采集后實時的將數(shù)據(jù)存儲到存儲卡中，以備集中的讀取數(shù)據(jù)。

2.4.3數(shù)據(jù)分析處理平臺軟件設(shè)計

①測試信號數(shù)據(jù)處理：去偽處理（信號過濾）。測試信號數(shù)據(jù)處理過程中，我們在數(shù)據(jù)采集開始將隨機產(chǎn)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(xiàn)在同一時刻的數(shù)據(jù)采集，在實驗過程中，由于要有前期的準備時間，我們設(shè)置了位置定位傳感器，當(dāng)系統(tǒng)開始運行，到達我們傳感器指定的位置后，位置檢測節(jié)點發(fā)出標志信號，在采集軟件中會有明顯的標識，對我們后續(xù)的數(shù)據(jù)截取和數(shù)據(jù)處理進行去偽處理提供參考依據(jù)，有效的實現(xiàn)對無用信號的過濾。②測試數(shù)據(jù)與時空狀態(tài)對應(yīng)處理，建立多維空間下的數(shù)據(jù)庫。所有測試數(shù)據(jù)都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，在同一個測試工程中，每個數(shù)據(jù)文件之間都有統(tǒng)一的時間坐標作為參考，實現(xiàn)多維空間下的數(shù)據(jù)庫集群。③性能及其測試參數(shù)可視化軟件開發(fā)。在實驗中，我們設(shè)計了上位機數(shù)據(jù)采集軟件，可以實時的采集顯示數(shù)據(jù)，實驗測試參數(shù)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(shù)據(jù)的顯示。顯示的的數(shù)據(jù)中我們可以顯示每個參數(shù)和時間對應(yīng)的曲線，也可以將多個數(shù)據(jù)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(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主體，是負責(zé)企業(yè)研發(fā)及承擔(dān)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(yōu)秀研發(fā)管理人員[6-11]。依托該實驗室與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）聯(lián)合建立了“北京高等學(xué)校市級校外人才培養(yǎng)基地”，借助北京高校優(yōu)質(zhì)科研資源，充分發(fā)揮各自在信息、資源、技術(shù)、人才和應(yīng)用等方面優(yōu)勢，推進了采掘裝備動力學(xué)基礎(chǔ)理論研究、測試試驗研究和數(shù)字化礦山技術(shù)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(shè)備研發(fā)及應(yīng)用》（項目編號：2013AA06A412）、國家973計劃課題《深部煤巖自適應(yīng)高效截割原理與適用性評估》（項目編號2014CB046301）及國家發(fā)改委低碳項目《千萬噸級高效綜采關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程》（發(fā)改辦高技[2013]1819號）。運行中，研發(fā)試驗團隊實時掌握行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，了解市場需求，從而將設(shè)計、研發(fā)、制造、生產(chǎn)等有機的結(jié)合起來，推動企業(yè)成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化進程，為新技術(shù)、新產(chǎn)品的各項性能試驗提供了良好的環(huán)境，有利于企業(yè)在核心技術(shù)上取得突破，解決設(shè)計、制造中的關(guān)鍵問題。

4結(jié)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(shè)，并模擬煤礦井下工作環(huán)境，建成了綜采成套裝備的性能、機械、力學(xué)和控制實驗平臺。經(jīng)過先期的實驗檢測，表明試驗系統(tǒng)的各項功能和性能指標符合初步設(shè)計要求，已進行的采煤機、刮板輸送機、自動化采煤系統(tǒng)的試驗測試已經(jīng)對我們進行新一代自動化、智能化工作面成套設(shè)備和技術(shù)開發(fā)發(fā)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(shè)備及開采技術(shù)的實驗研究和理論創(chuàng)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(fā)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(zé)任公司 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院