电牵引采煤机的技术现状和发展研究趋势

【摘要】：电牵引采煤机是链牵引采煤机的换代产品。 本文从国内外电牵引采煤机的发展过程和技术现状出发 ，讨论和分析了国内外电牵引采煤机的技术特点和发展趋势 ，以及国内电牵引技术的差距 ，提出了国内电牵引采煤机的研究内容 。

【关键词】：电牵引 ； 采煤机 ； 技术现状 ； 发展趋势1.概述

牵引部是采煤机的重要组成部分，根据牵引动力分为液压牵引和电牵引，由于液压系统组成部分复杂，液压元件和油液都处于密封的壳体内，很难从外部直接观察，因此出现故障时较难判断，给检修带来很多困难。再加上有许多的动作有一定的滞后性。如果再采用链牵引，那么事故及故障率就会更多，比如锚链跳起伤人事故，反链敲缸等。电动机是纵向布置，第一级减速必须使用弧形锥齿轮改变传递方向。爬坡能力低，总装机功率小。而电牵引采煤机基本上克服了以上缺点。所以电牵引采煤机是链牵引采煤机的换代产品。

70 年代中期 ， 德国 Ei c k hof f 公司和美国 J O Y公司相继研制出最早的直流电牵引采煤机 。 此后 ，世界上各主要采煤机研究制造公司均对电牵引采煤机进行了大量的研究开发 。80 年代后期涌现了大量电牵引采煤机机型 ， 并出现了交流电牵引采煤机 。90 年代 ， 随着现代科学技术的飞速发展 ， 开发出集电子电力 、 微电子 、 信息管理以及计算机智能技术于一体的大功率电牵引采煤机 。如美国J O Y 公司的 L S 系列 ， 英国 Lo n g - Ai r do x 公司的A n de r s o n El ec t r a 、 A n de r s o n EL 系列 ， 德国 Ei c k2hof f 公司的 ED W系列 、 SL 系列 ，日本三井三池制作所的 M CL E - D R 系列等电牵引采煤机 。 电牵引采煤机以其性能参数优 、可靠性高 、自动化程度高 、 操作方便 、 控制灵敏 、 监控保护及检测功能完善和经济效益好等众多优点在国际上被迅速推广使用 。

我国从 80 年代后期开始研究交流电牵引采煤机 ， 90 年代初期研制成功样机 。 近20多年的攻关研究主要集中在交流电牵引采煤机的系列设计 、 控制系统及控制功能的开发 。 开发的系列交流电牵引采煤机 ，已在国内煤矿逐步推广使用 ，取得了比较明显的社会经济效益 。

2.国外主要公司电牵引采煤机的发展状况

（1） 德国 Eick hoff 公司自 1976 年研制成功直流电牵引采煤机后 ，基本停止了液压牵引采煤机的开发研究 ， 陆续开发了多种形式电牵引采煤机 ： 有截割电机纵向布置的EDW - 450/ 1100 - L 型采煤机 ； 用于薄煤层开采的ED W - 300 - L N 型采煤机 ； ESA - 300 - L 型短机身直流电牵引采煤机等 。90 年代开发的 SL 系列横向布置交流电牵引采煤机 ， 将截割电机布置在摇臂上 。 其中 SL 500 型电牵引采煤机装机功率可达 1580k W ， 最大牵引力998k N 。 1999 年 10 月展出的新型 SL 300 型电牵引采煤机 ， 截割功率 2 × 420k W ， 牵引功率增大到2 ×80k W ，最大牵引速度高达 54. 5m / mi n ，总装机功率1018k W ， 采用双变频器一拖一系统 ， 可实现再生制动 ， 用于倾斜煤层开采 ， 控制系统具有交互式人机对话 、 设备健康预报 、 在线控制 、 数据传输等功能 。

（2） 英国 Lo n g - Ai r do x 公司

英国 A n de r s o n 公司自 1984 年研制成功第一台将截割电机布置在摇臂上的多电机横向布置的El ec t r a 550 型直流电牵引采煤机后 ， 在其基础上加大功率 ， 又研制成 El ec t r a 1000 型直流电牵引采煤机 。90 年代 ， Lo n g - Ai r do x 公司在 El ec t r a 系列机型基础上 ， 加大功率 ， 改进控制系统 ， 开发了 EL 系列交流电牵引采煤机 ， 主要机型有 ： EL 1500C 型 、EL 1000 型 、EL 600 型 、以及装机功率达 1760k W（ 截割功率 2 × 600k W ， 牵引功率 2 × 100k W ， 牵引速度 45m/ mi n） 的 EL 3000 型 。 在 EL 系列机型上装置的 Impact 集成保护及监控系统 ， 具有负荷控制 、全面的机器监控 、 采煤机自动定位 、 自动调高 、 区域控制 、 智能化安全连锁 、 随机故障诊断 、 数据传输等功能 。

（3） 美国 JOY 公司70 年代研制成功 1LS 多电机横向布置直流电牵引采煤机后 ， 又陆续研制了 2LS - 6LS 型等多种多电机横向布置直流电牵引采煤机 。90 年代在4LS 、 6L S 机型的基础上又开发了 6LS5 型 、 7LS 系列交流电牵引采煤机 ， 其中最新的 7L S5 采煤机总装机功率高达 1940k W ， 截割功率 2 × 650k W （ 或2 × 750k W） ， 双级行星减速 ， 输出转速 33 到 43r /mi n ； 牵引功率 2 × 110k W ， 牵引电机电压从 400V提高到 575V ； 牵引速度 30m/ mi n ； 牵引力 82t ，采用JOYUl t r a t r ac 2000 型强力销轨无链牵引系统 ， 加大销轨节距 （ 175mm） 和宽度 ， 并采用锻造销排 ； 装备了与 6LS5 型通用的 J N A （J O Y 网络结构） 机载计算机信息中心 ， 具有人机通讯界面 、 故障诊断图形显示和储存 、 无线电遥控 、 牵引控制和保护等先进功能 。

3.国外电牵引采煤机技术特点及发展趋势

（1） 装机功率增大 ，性能参数大幅提高。

为了满足高产高效综采工作面快速割煤提高生产能力的需要 ， 不论是厚 、 中厚和薄煤层电牵引采煤机 ， 其装机功率 （ 包括截割功率和牵引功率） 和主要性能参数大幅提高 。

1） 单台截割电机功率均在 400kW 以上 。 多数现代采煤机单台截割电机功率已达到 600k W ， 最新的 7L S5 采煤机单台截割功率高达 650k W 。SL 500已配置了 750k W 摇臂。

2） 牵引功率均在 80k W 以上 ，新机型已成倍提高 。 最大达 220k W。

3） 总装机功率普遍超过 1000k W 。最大高达1940k W。

4） 牵引速度 、 牵引力也大幅提高 。 目前大功率电牵引采煤机的牵引速度普遍达到 15～25m/ mi n ，牵引力 500k N 以上 。最大牵引速度高达 54. 5m/mi n 。 最大牵引力达到 998k N 。

5） 截割功率的增大 ， 支架随机支护的实现 ， 为加大滚筒截深创造了条件 。 10 年前滚筒的截深大多是 630mm 至 700mm ， 而 今 已 普 遍 采 用 1000 ～1200mm 截深 ，个别已采用 1500mm 截深 。

6） 为提高采煤机的可靠性和可利用率 ，在传动设计方面齿轮设计寿命提高到 20000h 以上 ， 轴承寿命提高到 30000h 以上 ，并还在不断提高 。

（2） 普遍采用中高压供电

80 年代以来 ， 由于装机功率大幅度提高以及工作面的不断加长 ，整个工作面容量超过 5000k W ， 工作面长度达到 300m 。 为减少输电线路损耗 ，提高供电质量和电机性能 ， 新一代大功率电牵引采煤机几乎都采用中高压供电 。主要供电等级有 2300V 、3300V 、 4160V 和 5000V 等。

（3） 监控保护系统的智能化

现代电牵引采煤机均具有建立在微处理机基础上的智能化监控 、 监测和保护系统 ，可实现交互式人机对话 、 远近控制 、 无线电遥控 、 工况监测及状态显示 、 数据采集存储及传输 、 健康 （ 故障） 诊断及预警 、自动控制 、 自动调高等多种功能 ，以保证采煤机最低的维护量和最高的利用率 ； 并可实现与液压支架 、 工作面输送机的信息交互和联动控制等功能 。英国Lo n g - Ai r do x 公司在 EL 系列机型上装置的 Im2p ac t 集成保护及监控系统 ； 德国 Ei c k hof f 公司的Ei c k hof f - 数据汇集技术系统 ； 美国 J O Y 公司 6L S型电牵引采煤机的 J N A 网络信息中心等 。 监控保护系统的智能化主要功能可归结为 ：

1） 负载控制 ： 通过截割电机电流的精确监测 ，调整采煤机的牵引速度 ， 使采煤机在不同工况下以最优化的参数进行工作 ， 从而保证传动系统不易受持续冲击影响。

2） 工作面定位控制 ： 可以识别采煤机在工作面的位置 ， 在机头 、 机尾可自动减速和停止 ， 与支架配合实现自动随机移架 ， 并可检查支架是否正确支护。

3） 与工作面输送机联机的负荷控制 ： 通过输送机的负荷监测来调节采煤机的采煤量 ， 使采煤机和输送机的生产能力完全相匹配 ， 既提高输送机的可靠性 ，又充分发挥工作面的生产能力。

4） 自动调高控制 ： 采煤机每移动 1m 就可精确地测量截割高度和角度 10 次 ，通过自动算法与存储数据进行比较校正 ， 迅速对采煤机进行最优化的水平调整 。 该控制可最大地减小底板的截割台阶 ， 实现平滑过渡 ，加快工作面设备的推进速度 ，提高设备的使用寿命 ，使操作人员能尽量避开粉尘。

5） 运行状态监控和显示 ： 采煤机的数据采集系统可采集大量各类机器参数 ， 如 ： 输入电压 ； 电机电流 ， 轴承 、 绕组和冷却水温度 ； 控制电源 ； 油温度 、 消耗 ； 液压系统油位 、 压力 、 温度 ； 冷却和喷雾降尘水量/ 水压 ； 机器速度 、 方向 ； 摇臂的操作角度 ； 过载保护监控等。

6） 数据传输 、 顺槽控制及地面监控 ： 采煤机上的双向调制解调器可通过双芯拖移电缆输送到顺槽调制解调器 ， 再通过双向通讯线路传送到地面调制解调器及协议控制器 。 传送的数据经过地面监控软件包格式化 ， 以图形和表格形式显示 ， 尤如在采煤机上所见一样。

7） 专家系统和故障诊断 ： 已有的专家评定系统可以把来自监控 、 性能检测和运行参数的任何数据和信息与以往机器维护 、 使用的情况相比较 ， 从而对机器的健康运行进行诊断 。 也可对特定错误和推荐方案提供风险评估。

（4） 电牵引系统向交流调速发展

早期的电牵引采煤机大多采用直流调速系统 。 自日本 80 年代中期研制成功第一台交流电牵引采煤机以来 ， 特别是进入 90 年代 ， 随着交流调速技术和装置的飞速发展 ， 交流调速系统以其技术先进 ， 可靠性高 ， 维护管理简单 ， 价格低廉等优点 ， 近几年被迅速推广使用 。 美国 、 德国 、 英国 、 法国 、 波兰和俄罗斯等都先后研制成功交流电牵引采煤机 。 90年代中后期研制的大功率电牵引采煤机均采用交流调速系统 ， 正逐步替代直流调速 ， 成为今后电牵引采煤机的发展方向 。从变频器对电机的拖动方式来看 ， 多数交流电牵引采煤机均采用一个变频器拖动两台牵引电机的方式 ， 变频器对电机的性能参数难以准确检测 ，控制和保护性能无法完全发挥 。 德国开发的 SL 300型采煤机 ， 采用了两台牵引电机由两个变频器分别拖动的方式 ， 使牵引系统的控制和保护性能更加完善 。 这种一拖一的牵引系统也正被逐步采用 ， 成为电牵引技术发展的又一个特点。

（5） 总体结构趋向模块化多电机横向布置

美国从 1L S 开始将截割电动机横向布置在摇臂上 ， 至今一直沿用这种结构方式 。英国从 El ec 2t r a 550 型开始 ， 和以后的 El ec t r a 1000 型 、 EL 系列电牵引采煤机均采用这种方式 。 德国进入 90 年代 ，也开发了横向布置的 SL 系列电牵引采煤机 。 波兰的电牵引采煤机基本全部采用横向布置方式 。 由于这种布置方式可使各部件由单独电动机驱动 ， 机械传动系统彼此独立 ， 可模块式设计 ， 结构简单 ， 装拆方便 ，深受用户欢迎。

（6） 电牵引采煤机已成为开采煤炭的主导机型

从开发研制方面看 ， 世界各主要采煤机厂商于80 年代中 、 后期都已把工作重点转向开发电牵引采煤机 。 从推广使用情况看 ， 美国长壁工作面中电牵引采煤机用量已达 100 % ，德国占 56 % ，澳大利亚占52 %。 而且 ， 近几年综采工作面的高产高效记录都是由电牵引采煤机所创造。

4.国内电牵引采煤机的发展现状

发展至今，在研制和开发上已取得了长足的进步，在消化、吸收引进国外采煤机技术基础上，进行二次开发和自主创新，拥有了许多具有自主知识产权的换代产品，在我国煤矿的综合机械化采煤工作面，国产采煤机已占据主导地位，完全采用国产装备的工作面不断涌现，为煤矿安全生产和高产高效矿井的建设提供了可靠的保证。

到目前为止，国内各主要采煤机生产厂家均对交流电牵引采煤机进行了大量的研究开发。

（1）天地科技股份有限公司上海分公司（隶属于中国煤炭科工集团）。 研制的采煤机已形成19 个系列，最大装机功率已达2500Kw。 在神华宁煤、黄陵、冀中能源等多家大型煤炭企业均有使用。

（2）IMM国际煤机集团鸡西煤矿机械有限公司，是我国第1台采煤机诞生地，其采煤机已形成11大系列 45个机型，采高范围从0.65～6.0m， 装机功率102～2040KW。

（3）太原矿山机器集团有限公司（隶属于山西太重煤机煤矿装备成套有限公司）。目前，世界最大的采煤机于2009年9月4日在山西太重煤机的太矿工业园成功下线，总装机功率2500KW， 最大采高6.3m ，重达135t. 它的成功下线，是我国综采设备实现国产化逐步替代进口的开始，是我国煤机制造史上的一次跨越，对振兴我国综采制造业无疑是巨大的鼓舞。

（4）西安煤矿机械有限公司（隶属于中国煤矿机 械 装 备 有 限 责 任 公 司）， 已 研 制 出 型 号 为MG1000＼2250-GDW的交流电牵引采煤机， 截高范围3.2～7.1m。

（5）中煤机械集团上海创力矿山设备有限公司，采煤机已形成20个系列 58个品种，装机功率120～2000KW，采高范围覆盖0.7～5.5m。

（6）三一重型装备有限公司（隶属于三一集团）历经几年的快速发展，目前已形成了集大功率采煤机的研发、制造等非常齐全的体系，在第十三届中国国际煤炭采矿技术交流及展览会上，展出了完全自主研制的综合采煤三机联动产品，其全自动三机联动自动化控制技术已达到了国内外先进水平。新投资兴建的采煤机产业园即将投入使用，届时将建立起全国最大、世界一流的煤机研发制造基地，形成年产几百台采煤机的规模。

（7）无锡盛达机械制造有限公司（隶属于中国采矿设备集团公司），有19个系列30多个品种的极薄煤层、薄煤层、中厚煤层采煤机，近年来也开始生产大功率采煤机。

（8）辽源煤矿机械制造有限责任公司（隶属于辽源矿业集团公司）， 有电牵引和液压牵引采煤机两大类型，共18个系列，60种机型，采高范围从极薄煤层的0.75m 到5m 的厚煤层 ，总装机功率从100KW到1800KW 以上，能够满足不同煤层不同地质条件的开采需要。在诸多产品中，以生产薄煤层和中厚煤层采煤机为主。

5.国内电牵引采煤机的技术特点及趋势

（1） 电牵引采煤机已成为国内采煤机的研究重点

国内从 90 年代初已逐步停止研究开发液压牵引采煤机 ， 将研究重点转向电牵引采煤机 ； 通过交流 、 直流电牵引采煤机的对比研究 ，已基本确定以交流变频调速电牵引采煤机为今后电牵引采煤机的发展方向 。 电牵引替代液压牵引 ， 交流调速代替直流调速已成为国内采煤机的发展方向。

（2） 装机功率不断增加

为了满足高产高效综采工作面快速割煤对采煤机的高强度 、 高性能需要 ， 不论是厚 、 中厚煤层还是薄煤层采煤机 ，其装机功率 （ 包括截割功率和牵引功率） 均在不断加大 ， 最大已达 1020k W ， 其中 ， 截割电机功率达 450k W ，牵引电机功率达 2 × 50k W。

（3） 牵引速度和牵引力不断增大

电牵引采煤机最大牵引速度已达 14. 5m/ mi n ，牵引力已普遍增大到 450～600k N。

（4） 电机横向布置总体结构发展迅速

近年来 ， 我国基本停止了截割电机纵向布置采煤机的研制 ， 新研制的采煤机中已广泛采用了多电机驱动横向布置的总体结构。

（5） 进一步发展中高压供电系统

随着采煤机装机功率和截割电机功率的大幅度提高 ， 为减少输电线路损耗 ， 提高供电质量和电机工作性能 ， 在中高电压供电系统及设备研究方面进行了大量工作 ， 1000k W 左右的电牵引采煤机已采用 3300V 供电系统及设备。

（6） 控制系统日趋完善

采煤机电气控制功能逐步齐全 ， 可靠性不断提高 ， 在通用性 ， 互换性和集成化等方面已有较大进步 ； 开发了可靠的防爆全中文界面的 PL C 控制系统 ， 实现了运行状态的监控 、 监测功能 ， 以及故障记忆和诊断功能 ； 研制成功井下无线电离机控制并得到推广使用。

（7） 滚筒截深不断增大

目前已由 630mm 增至 800mm ， 预计今后可能增至 1000mm ；

（8） 采煤机的可靠性将成为国产采煤机越来越重要的性能指标

随着高产高效矿井的建设和发展 ， 要求采煤工作面逐步达到日产 7000～10000t 水平 。 采煤机及其系统的可靠性将成为影响矿井原煤产量的关键因素越来越受到重视 ， 成为中国采煤机越来越重要的综合性能指标。

6.今后国内电牵引采煤机的研究目标

与目前国外最先进的电牵引采煤机相比 ， 国内电牵引采煤机在总体参数性能方面尚有较大差距 ，某些关键部件的性能 、 功能 、 适应范围还急待完善和提高 ， 尤其是在线监测 、 故障诊断及预报 、 信号传输与采煤机自动控制 、 传感器件等智能化技术与国外相比差距甚远 。 根据我国煤炭生产要求和采煤机技术发展趋势 ， 以及针对国内电牵引采煤机存在的差距 ，今后主要研究内容如下 ：

（1）进一步完善与开发大功率、智能型、厚煤层一次采全高的电牵引采煤机；

（2）加强设备的可靠性及稳定性研究，因为煤矿的高产、高效必须要在保证安全的前提下提高设备的性能指标和自动化水平，只有保证了可靠性才能发挥出设备的高性能和自动化的作用，如加大采煤机在过断层和截割夹矸能力方面的可靠性研究等；

（3）整机及关键件长寿命的研究。对于大功率采煤机， 需满足整机2000 万t采煤量寿命的总体设计，开展高强度长寿命壳体的研究。关键部件满足采煤600万t大修，滚筒寿命达 300万t， 主要机械传动系统满足采煤1000万t寿命的研究， 以及高可靠性、长寿命油封技术的研究；

（4）高可靠性的抗干扰、抗热效应电气控制系统的研究。 控制系统应具有先进的智能故障诊断与专家系统、显示与信息传输系统、全自动运行集中控制系统、记忆截割系统等，能对工况远程监测、能够显示工况参数的瞬间变化；

（5）先进信号传输系统的研究。开发无线高速信号远距离传输装置，使采煤机工作面的工作影像实现高可靠性实时传输。

7.结语

电牵引采煤机经过 25 年的发展 ， 技术已趋成熟 。 新一代大功率电牵引采煤机已集中采用了当今世界最先进的科学技术 ， 成为具有人工智能的高自动化机电设备 ， 代替液压牵引已成必然 。 技术发展趋势可简要归结如下 ：

（1） 电牵引系统向交流变频调速牵引系统发展。

（2） 结构形式向多电机驱动横向布置发展。

（3） 监控技术向自动化 、 智能化 、 工作面系统控制及远程监控发展。

（4） 性能参数向大功率 、 高参数发展。

（5） 综合性能向高可靠性和高利用率发展。

国内电牵引采煤机研制方向与国际发展基本一致 ，经过近 15 年的研究 ，已取得较大进展 ，但离国际先进水平 ， 特别是在监控技术及可靠性方面尚有较大差距 ，必须进行大量的技术和试验研究 。

参考文献

[1] 张军辉。我国煤矿采煤机的研究回顾、现状以及发展[J] 煤矿机械，2008，29（3）：1-3.

[2] 尉朝闻，田方.提高国产采煤机可靠性的措施和途径[J]. 煤矿机械，2007，28（6）：11-13.

[3] 高志明.大功率采煤机的技术现状及研究方向[J]. 煤矿机械，2007，28（4）：4-7.

[4] 刘春生，闫晓琳.国内大功率自动化电牵引采煤机的现状和发展[J].煤矿机械.，2003，24（5）：39-41.