采掘机械产品的关键技术

张久洋

摘 要：本文简述国内外挖掘机械技术差距，提高产品可靠性的关键技术，实施研发需要的技术手段和研发技。

关键词：挖掘机械技术;研发技术;技术手段

引言

在经济高速发展的中国，创新已成为一个转变经济增长模式的热点话题。在工业设计领域，创新被称之为地地道道的“待着镣铐的舞蹈”，它是联系图形、概念、和工程的纽带，必然要求工业设計师必须非常熟悉设计思维和设计表现、机器生产等等单个领域以及内在的相互联系，在整个系统中寻找突破点。

我国是一个以煤炭为主要能源的国家，国家经济的高速发展需要合理高效的煤炭开采和利用。煤炭的高效集约化生产已成为我国现代煤炭生产的主要模式。这种模式需要的依靠高效、可靠、自动化采掘和输送的技术和设备来保障。推广和发展这种生产模式依靠先进可靠的采掘设备。

经过多年来年我国开采技术以及设备的研究和开发，现在基本上满足了我国煤炭机械化开采的要求。但是与国外煤炭开采设备技术水平相比，国产设备在总体水平和能力上还有距离，其中的主要表现在于设备的可靠性和自动化程度上。目前国内集约化生产的工作面主要依靠进口设备。

一、国内外采掘机械产品的差距分析

根据资料查阅在十多年间，以长壁高效综采为代表的煤炭地下开采技术取得前所未有的新进展，主要体现在：高效综采装备的研制开发取得新的技术突破，综采工作面生产能力大幅度提高（突破年产1000万吨），出现了“一矿一面”年产数百万吨煤炭的高产高效和集约化生产模式。鉴于我国以煤炭为主的能源结构和当前煤炭需求快速增长，高效综采装备也将成为能源开发技术重要的竞争领域。

二十世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透，美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电- -体化设计等先进技术适应不同煤层条件的高效综采大型设备。新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅度增加的同时，设备功能内涵发生重大突破，并实现了综采生产过程的自动化控制。综采成套设备的设计生产能力已经达到3000t/h以上，在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产800～1000万吨，矿井的年产可突破1000万吨。我国经历了四十多年的综采机械化技术的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机等装备，生产能力达1500～ 2000t/h， 在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面最好水平可实现年产3～4Mt。我国综采设备设计制造、检测虽已有一定基础，但限于目前研究设计、制造水平和国内高强度优质材料供应等基础条件，即使是近年来新研制开发的综采设备在技术性能、工作可靠性和使用寿命方面仍和国际先进水平有明显差距。

国产综采工作面装备与国外同类设备比较主要表现在设备的生产能力低（功率小）、可靠性差、保护能力低、监测监控和自动化水平低等，最终影响到设备开机率、生产能力和设备寿命。造成以上问题的主要原因是：

（1）产品设计手段较落后，在产品性能的工程分析计算上研究较少，缺乏系统可靠性设计和产品设计性能的验证分析手段。综采工作面装备为煤、矸滚简切割、顶板支撑和煤、矸输送型设备，工作中冲击载荷大，严重影响产品的可靠性和寿命，现场使用中，往往是那里损坏补那里，可靠性和寿命始终达不到要求。

（2）综采工作面成套装备配套性差，系统存在薄弱环节，设备中一些关键环节可靠性差;机、电元部件的可靠性影响到整机的可靠性，整机的可靠性又影响到综采成套系统的开机率。

因此，提高综采装备可靠性的的出路就是进行产品研发技术的创新。必需加大研发投入力度，重点围绕提高综采工作面装备可靠性和自动化水平等方面展开研发。

矿山采掘机械以及地下工程掘进机械，是能源、矿产及城市建设的重大工业技术装备，本课题的研究目的是提高我国这类工业装备的设计制造水平，实现数字化设计和优化设计，形成应用原型系统。

二、研发高可靠采掘机械产品的关键技术

研发高可靠性采掘装备是一个系统工程，它涉及机械设计、材料研究、制造工艺、电气自动化、数理统计、计算机信息等多学科。

研发高可靠性采掘装备所需要研发的几项关键技术是：

（一）煤及岩切割过程的接触分析与采掘机械工作载荷确定

长期以来，我国采掘机械的截割工作机构的力学模型一直引用前苏联总结的实验方法和计算公式，而采掘机械的截齿结构和功能已有较大的发展，利用基于的现有截割理论进行采掘机械的工况描述和产品设计，存在了很多不足。因此，需要借助CAE方法，进行截齿对煤岩破碎机理分析。

（二）采掘机械整体结构动力学分析

采掘机械的失效破坏大多数是由于局部构件的破坏而引起，这种局部破坏的延展将导致采掘机械的整体结构破坏，而且动力载荷在其中起到关键作用。

根据动力学的分析需要解决的问题是：根据经典力学分析原理，建立采掘机械整机受力的数学模型，采用三维模型设计平台建立采煤机的三维数字模型。同时收集和应用前人的研究成果，采用力学解析法建立基于数据库的较完整的采煤机整机负荷计算系统，并采用有限元法对采煤机整机受力分析结果进一步验证。

分析采掘工作状况下的滚筒在正常切割和斜切进刀时动载特性分析技术;在正常切割煤层中含夹矸条件下的滚筒动载特性分析技术;确定采掘机械整体结构的自振特性;基于参数化外载（滚筒载荷）下的采掘机械动力响应特性分析技术;

（三）采掘机械的强度和疲劳分析与优化

采掘机械由于其长期工作在外载多变的复杂环境，据澳大利亚某大学学者研究发现，采煤机故障近70%发生在齿轮传动系统上，其强度和疲劳寿命问题-直成为结构设计中最为关心的问题之一， 有效地对采掘机械进行强度与疲劳寿命的分析与优化，对提高产品可靠性具有十分重要的意义。

（四）采掘机械的可靠性系统分析技术

研究采掘机械在工作载荷作用下的失效机理分析和主要失效模式;对于不能定量描述可靠性的失效模式，通过静动力分析模拟，确认故障原因，采用定量分析的手段加强薄弱环节，以提高产品的可靠性;研究建立以产品成本（生产、使用、维护成本）和可靠度为目标和约束的采掘机械优化设计模型。

三、结论

在我们高速发展的今天，高效集约化生产依靠高效的采掘机械装备，采掘机械装备的可靠性是一个系统工程问题，它涉及到多方面的学科研究，需要解决采掘机械中的截齿破煤机理和特性研究、采掘机械整体力学特性研究、关键部件的强度和疲劳寿命分析研究、采掘机械整体可靠性系统研究、采掘机械数字样机性能评价研究等等，而这些分析研究需要依靠现代设计手段来开发来解决。

参考文献：

[1]年产 600万吨综采成套设备研制，《国家发改委重大装备研制项目可行性研究报告》2006年

[2]吴彦、冯径若、汪崇建，虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用，<煤矿机电》2003年第四期

[3]杨丽伟、汪崇建、冯径若，基于虚拟样机技术的采煤机仿真，《煤矿机电》2005年第6期

[4]张军、陆仲绩、汪崇建，采煤机牵引行走机构的接触强度分析，《煤矿机电》2006年第1期

[5]多学科系统级虚拟样机建模与仿真技术，

[6]梅林涛，研发走向协同，《e-work网站》2005年10月18日