刮板输送机智能化创新方向探索.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 2 17-0 2刮板输送机智能化创新方向探索李洋，唐树峰，孙星（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏银川摘要：分析了国外煤矿装备的典型智能化架构，并结合国内煤矿智能化对刮板输送机的要求以及相关厂家对智能化的探讨，提出从可靠性、安全及节能、协同作业、及时准确服务和定制化等五个方面对设备的智能化进行探索，明确了要研发故障诊断系统、数据采集系统、预测性维护系统等智能化系统，并指出刮板输送机的智能化要以数字化为基础，着力解决关键数据的采集问题。关键词：刮板输送机；智能化架构；数字化中图分类号：TP273750001)文献标识码：A0引言煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。经过改革开放40 年的创新发展，我国煤矿实现了从普通机械化、综合机械化到自动化的跨越，并开始向智能化迈进，为我国经济社会发展提供了可靠的能源保障门。刮板输送机是煤矿并工开采工作面的重要装备之一，与采煤机、液压支架统称为“工作面三机”，是开采后的煤炭从井下向地面运输的最前端设备。刮板输送机稳定、可靠的运行与煤矿安全生产、经济效益息息相关，它的智能化发展是煤矿智能化发展的重要支撑。本文基于煤矿智能化的大背景，探索刮板输送机的智能化创新方向。1典型煤矿装备智能化架构1.1小松矿业的远程长臂采矿系统小松矿业的远程长臂采矿系统是一套基于工作面三机成套装备的智能化控制系统，可以实现远程采矿，其愿景是“工人只需要对采矿过程中的异常进行干预，只进行常规的检查和维护工作”，最终长臂采矿系统可以像“自动驾驶汽车”一样自动运行。远程长臂采矿系统架构如图1所示。远程长臂采矿系统工作面人员接近三维构图探测系统长臂采煤机俯仰控制三维几何控制和可视化刮板输送机变频控制图1.远程长臂采矿系统架构工作面三维构图包含了LASC工作面自动调直和3D激光扫描。人员接近探测系统的主要目的是保护移动设备周围操作工人的安全，形成工作面异常干预的额外保护。三维几何控制和可视化的作用是防止设备间的碰撞、支持远程操作和补充视频系统。通过变频控制，刮板机寿命增加了40%，驱动效率增加了20%，停机维护时间减少，井下电网的容量需求减小。米宁夏天地奔牛实业集团有限公司研究课题（2 0 2 0 K-06）收稿日期：2 0 2 3-0 1-10；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 2作者简介：李洋（19 8 5-），男，山西永济人，工程师，硕士，主要从事煤矿智能化、智能制造等相关研究工作。长臂采煤机俯仰控制的主要目的是改善中部槽控制，保持中部槽预知的俯仰角度，从而提高煤炭的回收率，减少设备运行过程中的人工干预。长臂数据采集系统从采煤机、液压支架、工作面运输系统、泵站、皮带机和电气系统收集数据，每个工作面有超过7 0 0 0 个数据点实时存储，其中工作面输送系统数据点 12 0 个。智能边缘分析是在传感器、网络交换机等设备上进行的，替代了之前集中式的数据站点分析。1.2卡特彼勒的“Longwall Navigator”系统“Longwall Navigator系统是卡特彼勒研发的一套长臂智能采矿系统，与小松“远程长臂采矿系统”所不同的是，其参考自动驾驶汽车分级方式将自动化级别分为三个等级，分别为标准设备控制（Levelo）、基本自动化（Levell)和高级自动化（Level2）。“L o n g w a l lNavigator系统架构如图2 所示。LongwallNavigator系统LEVELOLEVEL1标准设备控制基本自动化高级自动化状态设定长臂导航远程控制图2“LongwallNavigator系统架构标准设备控制是允许工作面的操作工人使用遥控长臂数据贺能采集系统边缘分析LEVEL2器来操作采煤机；基本自动化是在标准设备控制的基础上增加了端头通信、基本状态表以及部分远程控制功能；高级自动化是最高功能级别，它包含了完全的状态设定、长臂导航和远程控制。状态设定是定义采煤机的截割周期及序列。长臂导航具备以下功能：使用长臂导航仪可以定义、控制和监控顶底板的截割轮廓；使用VShearer接口的水平控制使操作工人可以在可视化工具中定义底板和顶板截割轮廓；使用中部槽角度测量系统可以确定端头部分采煤机前中部槽曲线。远程控制是让操作者可以在地上或地下控制室通过无线控制操作采煤机和液压支架，避免操作者暴露在灰尘、噪声和振动的环境之中。2181.3小结通过分析小松矿业和卡特彼勒两家企业煤矿装备的智能化架构，有以下几点可以借鉴：（1）智能化功能可以借鉴“自动驾驶汽车”的分级方式进行分级，有利于智能化技术循序渐进的推进。（2）在煤矿智能化中，可视化是智能化重要的组成部分，它有利于为人机协作提供重要支撑。（3）装备关键零部件的实时数据采集是进行大数据分析的基础，其数量和质量需要进一步提升。小松矿业长臂采矿系统实时采集的数据7 0 0 0 个，其中输送系统超过12 0 个。（4）刮板输送机作为综采成套设备的重要组成部分，要从综采设备协同控制的角度去考虑其自身的智能化。2刮板输送机智能化相关要求及探讨2.1行业标准中对于刮板输送机智能化要求煤炭工业智能化矿井设计标准对智能化矿井中的刮板输送机做了相应规定，要求其应具备软启动控制、运行状态监测、机尾链条自动张紧、故障诊断与工作面控制系统的通信和自动控制功能；宜具有煤流检测及其协同控制功能。2.2国内生产厂家对于刮板输送机智能化的探讨国内刮板输送机生产厂家对于刮板输送机在煤矿智能化创新方面提出以下要求：（1）具备工作环境及设备状态感知功能，其中包括刮板输送机的工作环境状态感知、姿态感知和运行状态感知。姿态感知是指刮板输送机中部槽的三维姿态感知。运行状态感知包括机械部件的应力应变状态、动力部件的参数（包括电流、电压、温度、压力、振动等）、煤流检测、断链监测和自动润滑等。（2）具备感知参数反馈及精准分析功能。要解决多源数据的异构融合问题，其中包括状态感知数据的结构、数据描述方法等；要开发基于数据反馈的平台，包括开发故障诊断、专家管理、生命周期管理等平台，实现感知数据实时分析、海量数据有效规律和普遍特征提取、历史对比、融合处理和推理评价。（3）具备感知、反馈、控制相结合的自主决策作业功能，其中包含有大数据状态下的自主学习、复杂工况下多部件的自适应作业、多层级多信息融合的智慧化平台等。3刮板输送机智能化创新方向刮板输送机的智能化应该放在煤矿智能化的大背景下去考虑。煤矿智能化的总体目标是“少人无人，安全高效”，刮板输送机的智能化服务于煤矿智能化的总体目标。本文提出应立足于客户，从客户的立场出发，从以下几个方面去探讨刮板输送机智能化的创新方向。（1）可靠性。让智能化为刮板输送机的可靠性赋能，通过提升设备的可靠性，减少设备工作状态的停机时间，实现无人少人、安全高效。建立刮板输送机故障诊断系统，包括电机、减速器、链轮轴组和链条等关键零部件的故障诊断系统，实现设备故障后在最短时间、最少人力情况下的定位故障位置；建立关键零部件的数据采集系统，监测各关键零部件在实际运行过程中的关键数据（例如磨损、应力情况等），形成大数据，为产品的优化改进提供支持；建立刮板输送机智能调速Discussion on Intelligent Innovation Direction on Scraper ConveyorAbstract:The typical intelligent structure of foreign coal mine equipment is analyzed,and combined with the requirements ofdomestic coal mine intelligence for scraper conveyor and the discussion of related manufacturers on intelligence,it is proposed toexplore the intelligence of equipment from five aspects:reliability,safety and energy saving,cooperative operation,timely andaccurate service,customization and so on,This paper defines the intelligent systems to be developed,such as fault diagnosis system,data acquisition system and predictive maintenance system,and points out that the intellectualization of scraper conveyor should bebased on digitalization and focus on solving the problem of key data acquisition.Keywords:scraper conveyor;intelligent architecture;digitalization机械工程与自动化系统，使设备可以根据煤量的大小进行变频调速，减少设备运转的次数，延长设备使用寿命。（2）安全及节能。建立刮板输送机防误人系统，防止人员误入造成安全事故；建立链条断链以及预警系统，防止链条断裂产生的安全事故；建立刮板输送机智能调速系统，最大限度地实现节能。（3）协同作业。刮板输送机与采煤机、液压支架可以进行协同作业，实现数据互通。建立中部槽三维状态感知系统，为保证中部槽按照预设角度推移提供数据基础，实现远程操作或无人操作过程中三机的互动协同；建立煤量实时采集系统，实现采煤机依据煤量大小智能调节截割速度，形成采煤机与刮板机支架的闭环控制；建立以刮板机中部槽为本体坐标的工作面直线度感知系统，因为从工作面三机与煤壁的相对位置来看，以刮板输送机作为三机姿态感知、定位的基点具有绝对优势3；建立刮板输送机运行数据感知系统，实时采集电机电流、电机转矩、电机转速、链条应力、哑铃销的应力等，为构建三机数字李生的协同提供数据支撑。（4）及时、准确、低成本的服务。建立刮板输送机预测性维护系统，重点是针对链条、哑铃销、链轮轴组、减速器、电机等关键零部件的预测性维护系统，要及时给出需要定期更换和维护的部件，降低用户的使用成本以及生产厂家售后维护的成本，同时该系统可以有效地减少用户的配件库存；建立刮板输送机远程可视化维护系统，方便客户现场故障时第一时间给予维护指导，从而解决维修及时性的问题，减少现场维护所产生的成本。（5）定制化。要建立环境感知系统，收集刮板输送机实际使用工况环境，例如温度、湿度、煤质硬度、含研量和酸碱度等。结合关键零部件数据采集系统中的数据（例如磨损数据等）、煤量，形成环境参数与关键变量（例如磨损、煤量)之间的关系模型，为设备的定制化设计奠定数据基础。未来，刮板输送机就可以根据煤层的赋存条件进行定制化开发，进行预期生命周期管理，实现其在生命周期内按照煤矿客户需求在预期时间节点终止服务，这完全符合煤矿产业绿色发展的方向。4结语本文参考小松矿业“远程长臂采矿系统”和卡特彼勒“LongwallNavigator系统”等煤矿装备智能化架构，结合煤矿智能化行业标准及国内厂家对于刮板输送机装备智能化的要求，提出了从客户的角度出发，从刮板输送机的可靠性、安全及节能、协同作业、及时准确服务、定制化等五个方面探讨了刮板输送机的智能化创新。众所周知，“数字化一网络化一智能化”是装备智能化实现的路径。智能化创新的基础是“数字化”，数字化的关键在于“数据”。如何在综采工作面这种严酷的环境中稳定、可靠地获取数据是智能化创新能否实现的关键一步。参考文献：1主国法，刘峰，庞义辉，等.煤矿智能化煤炭工业高质量发展的核心技术支撑.煤炭学报，2 0 19，44（2)：349-357.2王俊涛，穆润青，郁海滨.刮板输送机发展现状及智能化技术创新方向探讨J.煤炭技术，2 0 2 0（8）：156-158.3穆润青，王俊涛，贾伟霞，等.智能化开采变革中刮板输送技术创新方向探索J.煤炭技术，2 0 2 0（9：18 4-18 6.LI Yang,TANG Shu-feng,SUN Xing(Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.,Ltd.,Yinchuan 75000l,China)2023年第5期