刮板输送机研究现状

1、刮板输送机研究现状中国是世界第一产煤大国，也是煤炭消费大国。煤炭在我国能源产业和消费结构中占70左右，是我国首屈一指的战略性能源，煤炭行业已经成为国民经济高速发展的重要基础1-2。根据2002年国土资源部全国矿产资源储量通报公布的数据显示：我国煤炭基础储量3340.88亿吨，资源量6860.62亿吨，居世界第一； 可开采储量达2040亿吨，居世界第二。这种形势要求我国煤炭工业维持巨大的生产规模，煤炭工业的出路在于机械化、自动化、智能化。因此，服务于煤炭生产的煤矿机械设备，成为推进我国煤炭工业现代化和技术进步的关键产业。刮板输送机是现时段煤矿机械中最关键的设备之一，是煤炭装运的第一个环节，在很大

2、程度上决定了采煤工作面的生产能力和效率。因此， 研究高可靠性、高智能化的刮板输送机显得尤其重要。刮板输送机简介采煤机工作面刮板输送机是由德国人于1940 年发明的；50 年代中期，与工作面刮板机配套的液压支架在英国研制成功后，与滚筒采煤机一起，形成采、 支、运三机配套的综采设备。综采技术是长壁采煤系统、支护、采煤、装载、运输及整体推进等作业全部机械化的生产技术，国外通称为长壁工作面全盘机械化( Full Mechanizanon of Lonswall Face) 。在近半个世纪的发展历程中，它创造和保持了多项世界纪录，是当今世界最先进的井下开采技术，近几年在新技术革命影响的推动下，正发生着变

3、革性的进步。目前全自动化无人采煤工作面的综采技术，是美、德等国科研工作的重要内容。综采设备是综采技术的核心部分，工作面刮板输送机是关键的综采设备之一。由于工作面刮板输送机圆环链条和中部槽的可弯曲性，使得刮板机能适应底板起伏变化，可整体弯曲前移，因而成为不可替代的综采输送设备，并发展至今。刮板输送机作为煤矿工作面运输设备，不仅担负着运煤的作用，而且作为采煤机的运行轨道、液压支架的推移支点，还要悬挂工作面设备的电缆、水管等。所以， 刮板输送机的可靠、稳定、 高效运行将直接影响着矿井的生产能力和煤矿企业的经济效益。刮板输送机的工作原理是将刮板固定在链条上(组成刮板链)，作为牵引构件。 当机头传动部启

4、动后，带动机头轴上的链轮旋转，使刮板链循环运行带动物料沿着溜槽移动，直至到机头部卸载。刮板链绕过链轮作无级闭合循环运行，完成物料的输送。国外刮板机发展现状目前世界上生产刮板输送机的国家主要有德国、美国、英国、澳大利亚、日本等，机型从轻型、中型到重型、超重型，装机功率已达到3X750 kWo保护形式有弹性联轴器、限矩型液力耦合器、双速电机、调速型液力耦合器、软启动等。20世纪80年代后期以来，刮板输送机技术发展可概括为“三大 （大运量、大运距、大功率）、二重（重型溜槽、重型链条）、一新（自动监测新技术）”3。大运量：目前已出现运量4000 t/h以上的重型刮板输送机。相应的溜槽宽度从730764

5、mmt曾大至U 9801100mm以上，链速从1m/s左右提高到1.31.4 m/s以上, 最高链速已达到1.78m/s。长运距：目前英、美、德等先进采煤国均已有超过 300m长的采煤工作面和 刮板输送机，最长的刮板输送机已超过 380m。链条布置形式也相应的从双边链 和单边链过渡到以双中链为主，已出现准 4652mm的链子。国外专家研究认为， 从设备投资、掘进通风、运营成本、维修搬家等因素综合考虑，工作面以及刮板输送机的长度在250m左右时，技术经济指标最为合理。大功率：目前实际运行的刮板输送机单台电动机最大功率已超过700 kW，减速器传动比i=1 : 40。供电电压也从1000V左右升高

6、到2300V, 3300V, 4160V 或 5000V。长寿命与高可靠性：目前重型刮板输送机整机过煤量已达 400600万t （相当 于运行34a）,准300mm以上链条为200300万t （相当于运行12a）,链轮为100 150万t （相当于运行1*右），减速器设计寿命约为1250015000 h,接链环的疲 劳寿命已达到70000次以上。国内刮板机的发展现状20世纪50年代SGD 11型、SGB 11型刮板输送机在各大煤矿企业被广泛使用， 但因不能横向弯曲自移，需在工作面推进后，将其拆卸搬运至下一工作位置后再重新安装方能使用，不但耗时长，而且搬运劳动强度大；另外，还存在自身强度不足、功

7、率较小等问题，致使超载事故频频发生。随后，SGD 11型、 SGB 11型刮板输送机逐步被SGD 20型和SGS 30型刮板输送机取代，工作面的生产能力有所提高。但该机型仍不能实现弯曲自移，还需人力搬运，而且该刮板输送机与煤壁的距离较远，需要人力攉煤。1964年我国自行设计和研制出第一台SGW 44型圆环链可弯曲刮板输送机，实现了工作面的连续输煤。20世纪70年代， 随着采煤工作面长度不断增加，工作面产量亦日益提升，为普遍适应煤矿大力发展机械化采煤的需求，煤机企业投入更大力量研究和开发新型的刮板运输机，先后研制出SGW 150， SGW 180、 250等产品。八九十年代，我国煤机行业不断学习

8、和吸收国外（比如JOY公司）的先进设计思想并改进制造工艺，使得我国刮 板输送机的技术水平大幅度提高。例如,山西煤矿机械制造有限责任公司自主研究开发的SGZ1250 /2X200S刮板输送机，设计长度320m、输送量3750t /h;中煤张家口煤矿机械有限责任公 司自主研究开发的1350系列刮板输送机，设计长度400m,输送量4000t /h;石家 庄煤矿机械有限责任公司自主研究开发的SGZ1000 /1400型刮板输送机，设计长度250m,输送量2500t/h。我国自主研发的各类轻型、中型、重型及超重型刮板输送机已经普遍应用于国内井下工作面，担负着煤炭输送的重任，彻底改变了最初我国刮板输送机依

9、赖进口的被动局面3-6。刮板输送机结构分类目前， 煤矿用刮板输送机的类型很多，按牵引链的结构形式分为双边链、双中链和单链3种。双边链是目前国外使用得最广泛的结构形式，与单链相比其优点是预张力较低，能承受较大的张力，链条充满上下溜槽两边的槽帮链道并可自行清扫链道积煤；缺点是溜槽磨损较大、两条链子受力不均、在链轮处易跳链、弯曲性能差、断链事故多等。其特点是将两条相同直径的链条并列布置在溜槽中心，与双边链相比，这种结构形式的链子受力均匀，弯曲性能好，使用性能也较好。其特点是结构简单、事故少、受力均匀、运行平稳、摩擦阻力小、溜槽利用率高和弯曲性能好，在输送机上不易出现堵塞；缺点是预张力较大。双边链刮板

10、输送机双边链是目前国外使用得最广泛的结构形式，与单链相比其优点是预张力较低， 能承受较大的张力，链条充满上下溜槽两边的槽帮链道并可自行清扫链道积煤；缺点是溜槽磨损较大、两条链子受力不均、在链轮处易跳链、弯曲性能差、断链事故多等。双中链刮板输送机其特点是将两条相同直径的链条并列布置在溜槽中心，与双边链相比，这种结构形式的链子受力均匀，弯曲性能好，使用性能也较好。单链刮板输送机其特点是结构简单、事故少、受力均匀、运行平稳、摩擦阻力小、溜槽利用率高和弯曲性能好，在输送机上不易出现堵塞；缺点是预张力较大。刮板输送机技术研究现状刮板输送机是现时段煤矿机械中最关键的设备之一，是煤炭装运的第一个环节， 在很

11、大程度上决定了采煤工作面的生产能力和效率。因此， 对刮板输送机的研究是保证煤矿高产高效的重要前提。监测技术研究现状赵晋岭 7分析了刮板输送机在高产高效矿井中易产生的故障位置和现象，提出了采用刮板输送机故障在线监测系统，及时发现故障地点并进行维修的方法，避免了因维修不及时造成的生产损失，保证了采煤工艺的连续、安全和高效；同样地，席庆祥8建立了以减速器轴承温度，润滑油油温、油位，冷却水流量、压力，电机绕组温度、轴承温度等参数的基于PLC 的综采刮板输送机的在线监测系统，为高产高效的自动化作业提供了基础；于林9针对刮板输送机断链监测问题， 设计了一款专门监测断链的刮板检测传感器，用于监测上链和底链，

12、测试运行状态良好；朱正中10研究了刮板输送机链条张力监测的理论和方法，为实现刮板输送机链条状态的实时监测提供理论依据；王建国11设计了错链故障监测装置，通过刮板机位移的同步性，监测、计算其运行状况，实现故障的提示和报警；中国矿业大学机电工程学院的张丽平、李威等12人，针对刮板输送机的传动系统设计了一套专门针对刮板输送机传动部的监测系统，主要实现了对传动部的电动机、减速器各个部件的实时监测；赵四海、周小意等13人，运用工业组态软件 IFIX 作为监控实验平台，结合PLC 技术，对刮板输送机电动机温度，减速器的高低速轴轴温及大小油池油温，油位进行数据采集、信号处理、传输、通讯和实时显示；等等。控制

13、技术研究现状毛君14利用PID 模糊控制器，设计了一种刮板输送机链条张力的自动控制系统，具有较好的适用性和稳定性；高小强15研究了刮板输送机生产过程中的负载特性，将模糊集合和PID 控制思想应该到调速控制系统中，并采用回归神经网络在线调整PID 控制器的参数，确保了输送机单位长度的载煤量，降低了能源损耗和设备磨损；陈君16设计了一个刮板输送机链条动态张力控制系统，根据载荷检测装置测量的链条张力值来控制张紧油缸的伸缩量，实现了链条张紧力随负载变化的自动控制功能，降低了链轮、链条的磨损程度和故障率；龚尚福17提出了一种基于滑模控制的刮板输送机链条张力控制方法来改善张力控制系统的动态特性，仿真结果表

14、明动态特性好、鲁棒性和抗干扰能力强；陈卫兵 18、刘世峰19等分析了综采工作面刮板输送机上窜下滑的原因，各自提出了刮板输送机上窜下滑的控制和调整方法；周书颖20研究了刮板输送机的负载特性，在双电机主从控制方式的基础之上引入模糊控制规则，以刮板链运行速度为控制对象，以单位长度载煤量为控制目标，实现了对刮板输送机载荷及速度的稳定控制；等等。软启动技术研究现状刮板输送机在与采煤机配套工作过程中，其装煤量随着采煤机的采煤速度和行进方向不断变化，范围从空载到满载甚至超载，且持续时间无规律。在极不稳定的负荷状态下，刮板输送机经常发生卡链、断链、脱齿等故障，且经常在重载或超载下起动，另外， 大功率刮板输送机

15、普遍采用多机驱动方式，由于机头和机尾驱动部电动机、链条等结构及参数差异，导致多机驱动系统中各电动机功率分配失衡，负载波动，这些都对电动机造成一定的损害，严重时甚至烧毁电动机。国内外均采用软起动方式的目的是为了减少刮板输送机起动过程中的动张力， 并实现运行过程中多机负载均衡。软启动装置以阀控充液式液力偶合器(TTT) 、CST、变频器为主。TTT是通过PLC来采集偶合器内的液体温度、液位以及主轴转速等信息，将所采集的信息处理后对电液控制阀组发出相应的指令，来控制偶合器内的充液量，实现电动机无负载启动与刮板输送机平稳软启动等功能21；李杰22改进了液力耦合器的结构，解决了其更换过程中拆卸困难的问题

16、；刘伟23针对当前刮板输送机存在电机功率分配不均的问题，推导和绘制了电机与耦合器的联合特性曲线，为刮板输送机驱动设备的配置和相关软启动产品的开发提供理论参考。CST是一个集减速、调速、离合、电控、冷却、运行监测为一体的装置，在启动时，可以有效的减少对电网的冲击以及消除机械冲击24。侯旭玮25研究了CST的气动性能，提出了使用PID闭环控制优化系统控制性能；何鸿志26采用申 级调节速度控制的方法分析了正常状态下 CST实际运行曲线；王亚滨27利用 AMESim仿真软件对刮板输送机CST转速与压力2级负反馈PID闭环控制系统进 行建模与仿真，直观反映了 CST控制系统工作时白控制特性，为CS侬启动

17、性能 的预测和PID电液伺服控制系统的设计提供了理论依据；等等。变频器是一种以通过改变电动机工作频率来达到节能调速目的的技术，并且还具有过载、过流等保护功能，是目前最理想的软启动装置，目前最大的变频电机功率已达1200Kw。黄开林28针对煤矿刮板输送机维护工作量大，且不可长时间在低速模式下工作等现状，提出了变频器在刮板机上的应用技术与方案，通过对刮板输送机电动机电流的检测，实现了刮板输送机机头机尾动态功率平衡，降低了电动机、链条与刮板的损坏率；贾清华29开发了一种YJVFT1-450型矿用刮 板输送机变频电动机一体机，具有简化系统设备、提高生产效率、减少生产成本等优点，提高了生产效率；等等。液

18、压系统技术研究现状李金刚 30分析了并明确了综采工作面采煤机和刮板输送机配套时应主要的问题，为研究综采技术提供理论依据；赵四海31设计了一种液压驱动刮板输送机， 做到了对刮板输送机不同工况的速度和整体运行状态实施监测和控制，提高了刮板输送机的自动化程度；李隆32、张庚云33等详细介绍了刮板输送机液压系统的工作原理、结构组成以及使用过程中的注意事项，为我们研究液压装置提供了参考；魏强34针对我国煤矿刮板输送机运转稳定性的影响因素，从选型、安装、 日常操作、维护管理等方面展开分析，提出了保障刮板输送机运转稳定的合理建议和标准；等等。另外， 刮板机的受力和动态特性也进行了深入的研究：Makapor.

19、M.H 博士研究了刮板输送机驱动装置的非线性振动特性，并提出了关于降低振动和提高驱动装置的可靠性方面的建议35； Dolipski 研究了刮板输送机在液力联轴器驱动系统下的启动动力学特性峋；David H.Wauge针对刮板输送机上采用夜里耦合器和可控滑差 CST 驱动两种启动方式，在论文中分析了启动、异常载荷等工况下的刮板机动态性能37。中煤张煤机公司李国平38基于多体动力学理论建立输送机的动力学模型，对刮板输送机满载工况进行了仿真分析，提出了基于系统级建模和动态仿真的刮板输送机动力学设计方法；辽宁工程技术大学毛君39对刮板输送机运行过程中链条在不同工况下的动力学特征进行了研究，并分析了不同

20、工况下动载荷的影响因素；太原理工大学刘广鹏40利用 ADAMS 对链传动系统进行了仿真计算，指出了链条和链轮之间接触力的规律；太原理工大学张志雄41研究了刮板输送机振动特性，得出了刮板输送机在不同工况下的固有频率以及前6阶主振型图；中国矿业大学（北京）孟国营教授对刮板输送机动态特性、工况监测系统进行了研究，并与中煤张家口煤矿机械有限责任公司合作开发了13PD、14PD 型刮板输送机监测装置。当前研究的不足与本项目的提出从目前的研究现状来看，尽管国内已对刮板输送机开展了大量的技术研发和现场应用，是我国的煤炭开采工作得到了质的飞越，但整体上而言，一些核心技术仍然掌握在美国、德国、 南非等采矿业发达

21、的国家手里。我国的刮板输送机技术并未达到最优，普遍存在传动链复杂、重量过大、系统可靠性较低、智能化程度化较低等问题。例如， 其驱动模式主要是采用矿用隔爆型三相异步电动机直接启动，借助机械软启动（CST、 TTT 等） 。在起动时电机的瞬间电流是额定电流的 7 倍多，即使是中压3300V 的电压对电网的冲击也很大。这种模式的占用空间大、能效低，安全性差，在配置驱动设备时，需要大马拉小车，属于被淘汰模式。少数用户开始采用异步电机变频调速驱动模式，对比传统模式，其能效水平有所提高。即使这种模式，其起动电流也要是额定电流的1.5倍以上，也会导致电机发热严重，从而影响电机的使用寿命。国内煤矿刮板机用变频

22、驱动系统主要采用德国保越公司专用进口设备，保越公司根据中国采煤机发展要求，研发了系列异步防爆变频一体机，功率范围覆盖 400kW-1200kW,价格较高。国内兖矿集团 2011 年进行了两套500kW 异步变频驱动刮板机试运行、上海申地防爆变频最大功率为630kW， 电压等级为1140V、 西北骏马电机公司在研项目为1000kW 电机变频一体机用于刮板机驱动、抚顺煤机电机公司在2011 年北京国际矿用设备展会上展出了一款400kW 电机变频一体机。由于笼型异步电机的先天不足，该驱动模式需要一个复杂笨重的机械变速机构，仍然存在效率不够高，扭矩特性不好的缺点，在刮板机类负载中需要放大电机功率的需求

23、，属于待改进的模式。基于永磁同步电机驱动的刮板机系统，具有体积小巧紧凑，启动功率大，扭矩特性好、容易实现大功率化的特点。特别是通过永磁同步电机的合理设计，可以实现低速直连模式，极大地化简变频驱动的变速机构，实现小巧、高效、高性能、高可靠性的驱动系统。在智能化控制技术、矿山物联网技术的支撑下，突破高可靠智能型刮板输送机关键技术，开发新一代应用装备具有重要的意义。新一代永磁同步变频驱动刮板机系统在国内外还处于起步阶段，目前小功率系统的开发取得了一定进展。北京百正创源科技有限公司于2015 年相继开发了400800kW 隔爆变频直驱永磁驱动系统、1000kW/1500rpm 刮板输送机用永磁驱动系统

24、，并正在开发1000kW 半直驱集成永磁电机驱动系统。智能高效永磁刮板机驱动系统是一种高效率、高度集成的智能化的应用于刮板输送机驱动的新一代产品，其相关技术以其优良的力能特性和高可靠性、高效率已经在其他领域得到了印证。在煤矿采掘运领域也已经开始应用，并在2015年末500kW以上永磁同步驱动系统已经开始在招投标中大量出现。随着低能耗、高可靠性要求的提高，煤矿高效智能输送系统已经成为产业技术方向，必将带来相关产品和技术的大量需求和飞跃发展。开发高可靠性高效率的智能高效永磁刮板机驱动系统是十分必要和紧迫的。4 参考文献高云飞, 靳建顺. 煤矿用刮板输送机质量状况分析J. 山西煤炭, 2000, 2

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