井工刮板输送设备智能制造的现状与未来

王 盼，苏 醒，冯景浦

（1.宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏 银川75000；2.煤矿综采输送设备智能制造技术国家地方联合工程实验室，宁夏 石嘴山 753000）

0 引言

在如今智能时代的大背景下，煤矿智能化建设已在行业内被广泛认识并接受。2016 年，国家发展改革委和国家能源局联合印发“能源技术革命创新行动计划（2016-2030 年）”，指出2030 年要实现煤矿智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化。2020 年，国家发改委、能源局等八部委联合印发“关于加快煤矿智能化发展的指导意见”，指出加快煤炭行业供给侧结构改革和高质量发展的推进步伐[1]。2020 年，全国煤矿安全生产工作会议给出的煤矿开采机械化程度已由2010 年的65%提升至2019 年底的78.5%。由此分析，在需求侧和供给侧双管齐下的情况下，智能化势必是煤机发展的新阶段，智能制造则是高质量、高可靠、高端的智能化煤机产品基础保障。我国作为世界最大的煤炭生产和消费国，煤机装备制造业发展迅速，煤机装备生产总量和整体技术已达到世界前列。然而，我国煤机装备中低端产品过剩，高端高可靠产品紧缺，核心竞争力与创新能力不足。尤其是井工刮板输送设备的制造，一直存在“大，老，粗”的问题，自动化、集成化、智能化水平低，急需改进。在“中国制造2025”的战略背景下，井工刮板输送设备的制造需要在产品可靠性、自动化、智能化等方面不断创新，以智能制造助推井工刮板输送设备智能化发展。

1 井工刮板输送设备智能制造的现状

1.1 井工刮板输送设备简介

井工刮板输送设备包括刮板输送机、刮板转载机等。主要是在井工煤矿开采工作面，利用中部槽作为煤炭的运输通道，将刮板固定在链条上（组成刮板链），作为牵引机构。当动力部电动机启动后，电动机转矩经限矩器、减速器传递给链轮轴组，从而牵引刮板链运动，组成一个封闭的牵引系统，按从机尾向机头的运行方向将煤炭输送出煤炭开采工作面。

1.2 井工刮板输送设备主要零部件及构成

如图1 所示，刮板输送机主要由机头、机尾、动力部、过渡段、中部槽、偏转槽、电缆槽、刮板链等组成。主要功能是运输煤炭，作为采煤机的运行轨道，为拉移液压支架做固定支点，清理工作面浮煤，悬挂电缆、水管、乳化液管路等。

图1 刮板输送机组成示意

刮板转载机主要由伸缩机头、动力部、悬空段中部槽、破碎机、落地段中部槽、刮板链、机尾等组成。主要用于高产、高效综合机械化工作面顺槽转载输送煤炭，使用时将转载机头搭接在皮带机上作整体运动。

1.3 井工刮板输送设备智能制造的现状

当前井工刮板输送设备制造主要表现为“大、老、粗”的特点，产品本身及加工设备体积、质量、规模较大，生产模式比较低端、粗放，大部分还处在机械化或半自动化水平。整体制造水平不高，产品质量不稳定，与国外自动化、高端化、智能化制造过程相比，还存在较大差距。更具体的表现为：

（1）产品设计理念和创新方法不完善，基础理论和实验研究薄弱；

（2）生产制造工艺存在短板，高端加工制造能力欠缺，产品质量参差不齐；

（3）缺乏系统完善的工业设计，外观与质量没有实现统一；

（4）产品生产加工集中化、规模化程度低，生产管理理念陈旧；

（5）智能制造工艺、工装和人才队伍缺乏；

（6）市场秩序不健全，不合理的市场竞争招标规则，造成价格混战，质量水平下滑[2]。

例如在井工刮板输送设备产制造过程中，当前生产计划需线下人工编排，信息准确性、及时性不强，无法准确掌握现场人员、设备的负荷情况；各业务系统部署分散，信息孤岛现象严重，导致基础数据被分散在各个信息系统中分别管理，无法相互共享、引用；生产检验结果与生产过程缺乏联动制约机制；刮板输送设备大型、重型、复杂零部件多，实施智能制造难度大等。

2 提高井工刮板输送设备智能制造的水平：向数字化、网络化、智能化方向发展

自“中国制造2025”发布以来，国内智能制造产业发展迅速，保持了较高的增速，2017 年智能制造产业突破万亿大关，逐步完善和搭建中国智能制造标准体系架构，见图2。政府方面，以“中国制造2025”为纲领加强顶层设计，开展示范和标准体系建设。企业方面，加快结构优化、转型升级，制造过程向数字化、网络化、智能化方向发展，制造能力向精准、敏捷方向提高[3]。

图2 中国智能制造标准体系架构

中国制造在过去的几十年里，紧跟世界步伐“奔向”了世界各地，如今我国的制造业体系完整、门类齐全，规模位列世界第一，在中低端制造业领域有很强的竞争优势。但是依旧没有彻底摆脱“低端”“缺芯”和“无脑”的刻板印象，形成这种局面归因于效率、效能有待提高；我国的制造业在先进制造和高端制造领域，整体上还处在全球产业链的中下端，核心技术和关键零部件受制于人；我国制造业的品质和品牌层次比较低。尤其是在过去几年全球疫情和贸易摩擦加剧，制造业回流的背景下，制造业所面对的形式更加严峻，不容乐观。制造业需要加快从“中国制造”向“中国智造”的转变，优化产业结构，转型升级，以求突破。

智能制造的发展不仅仅是说制造和管理制造本身，而是产品的全生命周期管控。从某种角度来说，智能制造是一个处于持续演进状态的大系统，见图3。随着智能化时代到来，新一代技术将会源源不断向制造业渗入，实现产品设计、产品制造、过程管控和销售服务过程的数字化、网络化和智能化，进而提升井工刮板输送设备的产品质量、效益和服务水平。

图3 井工刮板输送设备智能制造体系架构

2.1 大型刮板输送机中部槽智能化焊接生产线

运用激光焊接、激光测距、位移传感、电液伺服等先进的智能控制技术，由9 个生产工位、7 台焊接机器人组成的大型刮板输送机中部槽智能化焊接生产线，实现大型刮板输送机中部槽组装焊接智能化、制造流程自动化、现场检测实时化和车间生产管理信息化，形成具有自主知识产权的煤机装备智能化生产制造的核心技术。

2.2 高度互联的柔性生产线

桁架机器人销轴柔性生产线采用数控铣打机、数控车铣复合加工中心、桁架机器人等集成加工技术，实现一次上料完成车、铣、钻、攻丝等多工序的完全自动化生产及同系列产品并线柔性生产。通过多自由度程序运行的高可靠性、高速度、高精度夹持定位工具系统，有效改变传統的物流方式、改善作业环境，提供零件加工的数字化、信息化、自动化，生产效率提高32%，运行成本降低52%。

2.3 基于5G+工业互联网赋能智能工厂建设

全面推进5G+工业互联网赋能刮板输送设备智能车间建设应用[4]。利用中国移动第五代通信技术提供大带宽、低时延无线通信网络覆盖全厂区，建立一个高效的数据管理体系和透明的异常信息的处理机制。实现研发、设计、工艺和制造等环节协同作业，不断优化产品体系和技术路线，提升刮板输送设备相关产品零部件标准化、功能模块通用化。

2.4 产品全生命周期管理和智能服务

创新驱动发展不单指科技创新，服务模式也需紧随时代潮流创新发展。通过产品全生命周期管理、故障在线实时诊断、智能服务、远程运维等创新型服务模式应用，企业向客户提供解决方案和服务时可以发挥更强的主观能动性，不断提升刮板输送设备智能制造水平，助力智能制造转型升级。

3 井工刮板输送设备智能制造的未来：关键技术

3.1 工业云计算技术

工业云计算技术包含工业云平台、大数据技术和人工智能技术。企业不需要花费巨额的人力和财力来搭建企业IT 系统，云上的资源可以轻易扩张和缩减，其优良的弹性可以让企业制定各品类解决方案，在瞬息万变的市场行情下快速实现最优解。利用云提供商的各类服务，可以提高数据的利用率，从而更高效的处理数据，比如调取足够的GPU 资源来实现深度学习算法或其他人工智能算法。利用大一统的云平台，可以集成所有地区的数据联合分析，提供的数据服务也可以利用开放接口直接提供给全球客户，真正实现智能化、智慧化服务[5]。

3.2 物联网技术

物联网，就是把物品的信息通过传感器和通讯技术连接到一起，形成一个物与物相连的网络，实现智能化应用的技术[6]。工业领域一直是物联网技术应用的主要场景，物联网的核心是传感器技术和通信技术，传感器将温湿度、设备振动、光照、位置偏移等物理量转化为数字量，是最重要的工业数据来源；通信技术之前受限于无线通信的稳定性和传输速率，很多对实时性有要求的工业智能服务只能停留在示范或原型阶段，现在5G 通信技术的来临使得物联网技术成为智能工厂中不可或缺的一部分。

3.3 数字孪生技术

数字孪生，也叫数字化双胞胎，是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程[7]。利用数字孪生技术可以将产品模型数字化，对其进行仿真测试和技术验证，以极低的人力成本在短时间内开发更多的样机，缩短产品开发及试制周期；可以将生产流程数字化，结合运筹学理论调试并优化虚拟产线模型，从而提升工厂生产效率，发挥隐藏的产能潜力；可以将生产设备的状态数字化，在实际生产中产线往往会因为设备老化，工人操作不规范等问题造成意外停机，从而引发重大经济损失，而生产设备的数字化则能实时监控关键部件的健康状态，当出现异常信号时能根据历史数据给出最有可能的故障原因分析并给出维保建议，能极大缩短维修时间，提升设备综合效率[8]。

4 结语

新科技革命和产业变革已兴起，全球工业技术体系、发展模式和竞争格局迎来重大变革。新一代智能制造已成为世界性的制造业发展战略。在这一形势下，我国发布的“中国制造2015”规划纲要，为我国智能制造的发展提供了解决思路与发展方向。我国井工刮板输送设备智能制造改造与发展已迈出坚实的第一步，但是由于其基础薄弱，产业结构不够合理，发展的各项指标不够均衡，从技术、人才、资金方面决定了其智能制造水平还处于初级发展阶段。井工刮板输送设备智能制造发展需要实现以创新为引领，抓住关键技术，不断推进结构优化，转型升级，实现数字化、网络化、智能化制造，从而达到融合发展，打造中国自己的高端品牌，使我国进入制造强国行列。