MG9002210WD型交流电牵引采煤机.docx
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MG9002210WD型交流电牵引采煤机
MG900/2210-WD型交流电牵引采煤机
一、 MG900/2210-WD型交流电牵引采煤机是立足于我国高产高效工作面生产的需要而开发设计的高电压、大功率、大采高、智能化、自动化、网络化的交流电牵引采煤机，属煤矿采掘机械设备技术领域。
二、 主要研究的主要内容：
⑴总体结构布置的优化设计；
⑵大规格超长液压螺栓紧固技术的研究；
⑶大功率、高强度摇臂行星头结构的研究；
⑷大功率、高强度摇臂行星头冷却降温技术的研究；
⑸摇臂行星头滑动密封圈漏油问题的研究；
⑹重型破岩滚筒的研究；
⑺电气控制系统抗电磁干扰问题研究；
⑻模块化水冷采煤机用变频器的设计；
⑼两台牵引电机负荷平衡问题的研究；
⑽基于工业以太网的电牵引采煤机远程智能化监测和故障诊断技术的研究。
⑾记忆截割，跟机修正技术的研究。
三、 主要技术参数
机面高度2121mm
最大开采高度6300mm
配套滚筒φ3000mm
牵引力1000～500kN
牵引速度0～～23m/min（0～50～100Hz）
调速和牵引方式交流变频调速，齿轮销轨式无链牵引
装机功率900×2+110（150）×2+150+40（kW）
对接面联接方式4-M85x4液压螺栓联接
配套运输机SGZ1000/1050-W
供电电压3300V
机器重量约135T
该采煤机每台售价约1800万元，目前我国采煤机市场正迫切需要这种高可靠、大功率、大采高，具有智能化、自动化、网络化功能的电牵引采煤机。
特别是随着修正式记忆截割技术、远程故障诊断和远程控制技术的应用，将填补采煤机在这一领域的空白。
本课题开发的这种大功率交流电牵引采煤机，目标是满足我国高产、高效特大矿井综采工作面采煤设备的需求，填补我国采煤机市场的空白，将有广阔的市场需求和经济效益。
本项目立足国家大型煤炭基地建设中技术创新与重大设备本土化并举的建设方针，结合国家发改委“年产800万吨级矿井综采成套设备”项目，及科技部十一五期间“国家863计划重点项目”“煤矿井下采掘装备遥控关键技术”的要求而研制开发的MG900/2210-WD型交流电牵引采煤机。
根据国家十三个大型煤炭基地规划，大同、淮南、陕北煤矿等特大矿井急需年产800万吨以上高电压、大功率、大采高、技术先进、可靠性高的重型采煤机。
国外交流电牵引采煤机的显著特点是具有建立在微处理计算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、远程控制、无线遥控、工况监测及状态显示、数据采集存贮及传输、故障诊断、预警、自动控制、自动调高等多种功能。
随着我国新建矿井的设计生产规模不断扩大及老矿井的扩能改造，特大矿井对年产800万吨以上高电压、大功率、大采高、高可靠性的重型采煤机的需求猛增。
然而，长期以来重型电牵引采煤机在我国仍然是空白，需从西方发达国家以大量的外汇进口。
需要解决的关键技术问题
①大功率、高强度牵引部及机壳的设计；
②1000kW摇臂的设计；
③摇臂润滑油池冷却系统结构设计；
④高强度超长液压螺栓及联结结构的设计；
⑤150kW破碎机构的设计；
⑥牵引拖动系统的“一拖一”数字化控制方案设计；
⑦采煤机远程智能化监测和故障诊断系统的研究及远程监控中心的建设。
⑧跟机修正记忆截割系统的设计。
该项目是使我国拥有自主知识产权3～6m煤层一次采全高综采工作面的关键设备——大功率、大采高电牵引采煤机。
总体技术达到国际先进水平，形成高端电牵引采煤机研究开发制造能力。
项目完成后，2年内形成批量化生产，替代进口，满足大型煤炭基地建设对高端综采设备需要。
可为国家节约大量外汇，还可提升我国煤矿机械装备自主创新水平，具有良好的经济和社会效益。
2、技术内容
本项目是立足于我国高产高效综采工作面生产的需要而开发设计的高电压、大功率、大采高、智能化、自动化、网络化的交流电牵引采煤机。
这种采煤机总体要求为电机横向布局，积木式框架结构，用大规格超长液压螺栓联接。
牵引拖动系统采用“一拖一”，主、从拖动方式的机载交流变频调速技术。
机械部分要研制大规格超长弹性螺栓，优化设计牵引部和截割部的四行星传动机构，解决截割部行星头滑动密封圈漏油及摇臂冷却问题。
电气控制部分要开发使采煤机两个牵引部电机转矩平衡的软件，要解决机载变频器的冷却问题，要开发远程监测系统。
此种采煤机是适合我国“十一五”能源规划，煤矿生产规模化、设备现代化的大功率交流电牵引采煤机，目标是满足我国高产、高效特大矿井采煤工作面采煤设备的需求，填补国内煤机制造的空白。
（1）研制背景及技术支持
我国二十多年来经济一直持续高速发展，现在已成为世界经济支柱之一，能源需求也在不断增加。
煤炭作为我国基础能源和重要的生产资料，在我国国民经济中占有重要的战略地位。
尤其近年国际原油价格持续攀升，并居高不下，直接导致了煤炭价格一路走高。
目前煤炭产量占全国一次能源生产总量的%，煤炭消费占全国一次能源总量的67%。
从我国的经济发展前景及能源结构来看,根据国际原油价格走势，未来几十年内,煤炭依然是我国的主要能源。
因此,国家加大对煤炭企业的投入,十三大煤炭生产基地纷纷加快建设步伐,缩短建设周期，新建矿井的设计规模不断扩大及老矿井的扩能改造,对采煤机的需求猛增，尤其是特大矿井需要高电压、大功率、大采高、高可靠性的采煤机设备。
然而，长期以来同类型大功率交流电牵采煤机在我国仍然是空白，需从西方发达国家以大量的外汇进口，来满足高产高效煤矿生产的需求。
伴随着我国改革开放不断发展的脚步，电力电子技术、微电子技术、计算机技术得到了飞速发展，这为我国开发集电力电子、信息化采集、微机控制及智能监测系统于一身的大功率交流电牵引采煤机创造了条件。
技术支持：
①国内外采煤机技术的发展和先进成熟的电力电子技术、计算机技术是研制该产品的基础。
②我国已具备生产高电压、防爆、水冷电机的能力，功率在900kW以上，符合本开发项目的需求。
另外，高电压的磁力启动器、变压器、隔离开关、真空接触器已经在德国和美国采煤机上使用成功。
③国际间技术信息及产品的交流为我们研发提供了保证。
如ABB传动公司的DTC直接转矩控制变频器。
④我公司高素质的研发队伍是该项目研制成功的可靠保证。
公司已经成功研制1630kW/、1910kW/大功率交流变频电牵引采煤机，并投入使用四年多，矿方反映使用效果良好，在淮南新集花家湖煤矿1130kW采煤机过80米全岩断层，1910kW采煤机在大同四老沟矿从2005年8月份使用至今，机械传动部分和电气控制系统没有出现过重大问题。
（2）本项目总体研制思路
采煤机就是在复杂的地质条件下解决一边割煤、一边能装煤的机器。
对于大功率的采煤机应有足够的强度和很好的散热条件，并具有灵活多变的操控性。
由于采煤机适应高产、高效，必须具有很强的过断层能力，这样在设计摇臂时要充分考虑结构强度，滚筒设计要根据采煤工作面地质条件区别设计，设计适应过较大断层的重型破岩滚筒等。
电气设计必须考虑过断层强烈冲击的影响，采煤机在设计中要考虑机器有适宜的重量能抗冲击。
同时还要有足够的牵引力保证过断层时采煤机正常工作。
采煤机功率大，发热量大，为使采煤机正常工作，必须充分考虑采煤机各个部件散热问题。
为了适应采煤工况要求，必须实现机载交流变频，“一拖一”方式平衡牵引，模块化水冷变频器的设计，要求其体积小，结构紧凑，易于水冷布置，具有保护、监测齐全，可靠运行的软件程序；为了使采煤机在工作中可靠运行，必须解决机器联接中的松动问题，除了部件间螺栓紧固外，采用四条超长液压螺栓将机器各个部件捆扎起来形成一个刚性整体，是一个有效的解决办法。
（3）国内外技术发展情况
①国外主要公司交流电牵引采煤机发展情况
2007年Eickhoff公司开发了SL系列横向布置的交流电牵引采煤机，其中SL1000，采高范围～，供电电压，最大牵引力1000kN，截割功率可达2x750（900）kW，装机总功率可达2400kW,最大采高可达，采用双变频器“一拖一”系统并具有四象限运行能力，控制系统具有交互式人机对话、设备健康预报、在线数据传输等功能。
二十世纪90年代开发出新的7LS6采煤机，总装机功率高达1860kW，供电电压，截割功率2x650（750）kW，牵引功率2x110kW，牵引速度30m/min，牵引力800kN，装备了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、牵引控制和保护等功能。
②国内交流电牵引采煤机的研制状况
目前，国内几大采煤机生产厂家，2000年均已先后推出交流电牵引采煤机。
这些机型中以MG300/700-WD、MG400/930-WD系列机型最具代表性，每年需求200台左右，市场占有率约为80%。
这些机型中装机功率最高可达1400kW。
我公司从2002年10月开始，投入了大量的人力和财力进行交流电牵引采煤机的研制，先后完成了MG300/700-WD、MG500/1130-WD、MG200/500-AWD、MG650/1630-WD四个系列采煤机设计和工业性试验并投入批量生产。
目前，电牵引采煤机订货已占我公司订货量的85%以上。
2004年10月开始至2005年2月8日，公司又完成采高MG750/1910-WD型电牵引采煤机的图纸设计，2005年6月30日生产出样机，交付大同煤矿集团使用。
具有PLC或计算机控制系统及智能监测控制系统，拖动方式为“一拖一”系统，该机的总体设计已达到国际先进水平。
公司始终在电牵引采煤机智能化和信息化方面持续和高等院校合作，努力在很短的时间赶上国际先进水平。
国外交流电牵引采煤机的显著特点是均具有建立在微处理计算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、远程控制、无线遥控、工况监测及状态显示、数据采集存贮及传输、故障诊断、预警、自动控制、自动调高等多种功能，保证了采煤机最低的维护量和最高的开机率，并可与液压支架、工作面运输机信息交互和联动控制。
这些是国内研制的交流电牵引采煤机和国外相比的差距所在。
附：
目前国外和国产大功率厚煤层采煤机主要技术参数对比表
目前国外和国产大功率厚煤层采煤机主要技术参数对比
型号
单位
Sl1000
Eickhoff
7LS6
Joy
MG750/
1815-GWD
上海天地
MG800/
2040-WD
IMM国际煤机
MGTY750/
太矿煤机
MG900/
2210-WD
西安煤机
国外对比
国内对比
采高范围
M
～
～
～
～
～
～
相同
高
煤层倾角
°
≤5
≤5
≤15
≤12
≤15
≤15
高
高
煤质硬度
F
≤10
≤10
≤6
（夹矸硬度≤10）
≤10
≤10
≤10
高
高
装机总功率
kW
2390
1860
1815
2040
1800
2210
（2290）
相当
高
截割功率
kW
2×900
2×750
2×750
2×800
2×750
2×900
相同
高
破碎功率
kW
200
110
100
160
100
150
略低
相当
牵引功率
kW
2×150
2×110
AC
2×90AC
2×120AC
90
2×110
（150）
相同
高
泵站功率
kW
2×45
30
35
40
35
40
略低
高
供电电压
V
3300
3300
3300
3300
3300
3300
相同
相同
滚筒直径
mm
3200
2200
2500/2700
2500/2750
2500/2700
2500/2700
/3000/3200
相同
高
滚筒转速
r/min
26
相当
相当
截深
mm
800/1000
865
800/1000
800/1000
800/1000
800/1000
相同
相同
牵引速度
m/min
33
12/21
12/19
23
相当
高
牵引力
kN
978
800/375
780/445
1040/656
1000/500
高
高
重量
T
130
98
128
120
90
138
高
高
自适应采高技术
有
无
无
无
无
有
先进
先进
远程监控与诊断
无
无
无
无
无
有
先进
先进
（4）现有的技术条件
经过近十年采煤机研究开发的实践，我们已经熟悉和掌握了现代采煤机所有最新技术成果，如多电机横向布置采煤机总体结构技术；采煤机液压螺栓联接紧固技术；摇臂行星头二级行星齿轮传动技术；引进消化吸收进口ABB变频器技术等。
系列化多电机横向布置采煤机的研制成功是我们研究解决本项目的技术基础。
（5）研究的内容和技术攻关方式
①研究的内容
a.总体结构布置的优化设计；
b.大规格超长液压螺栓紧固技术的研究；
c.大功率、高强度摇臂行星头结构的研究；
d.大功率、高强度摇臂行星头冷却降温技术的研究；
e.摇臂行星头滑动密封圈漏油问题的研究；
f.重型破岩滚筒的研究；
g.电气控制系统抗电磁干扰问题研究；
h.模块化水冷采煤机用变频器的设计；
i.两台牵引电机负荷平衡问题的研究；
j.基于工业以太网的电牵引采煤机远程智能化监测和故障诊断技术的研究。
k.记忆截割，跟机修正技术的研究。
②主要技术指标
各项研究内容技术指标均需达到本采煤机项目总体参数的要求。
本采煤机技术参数如下：
机面高度2121mm
最大开采高度6300mm
配套滚筒φ3000mm
牵引力1000～500kN
牵引速度0～～23m/min（0～50～100Hz）
调速和牵引方式交流变频调速，齿轮销轨式无链牵引
装机功率900x2+110（150）x2+150+40（kW）
对接面联接方式4-M85x4液压螺栓联接
配套运输机SGZ1000/1050-W
供电电压3300V
机器重量约135T
③需要解决的关键技术问题
a.大功率、高强度牵引部及机壳的设计；
摇臂的设计；
c.摇臂润滑油池冷却系统结构设计；
d.高强度超长液压螺栓及联结结构的设计；
破碎机构的设计；
“一拖一”数字化控制方案设计；
g.采煤机远程智能化监测和故障诊断系统的研究及远程监控中心的建设。
h.跟机修正记忆截割系统的设计。
④技术攻关方式
2007年２月完成了大功率采煤机摇臂行星头、行走箱的计算机有限元分析和仿真。
在设计过程中，我们借鉴了德国Eickhoff和美国Joy公司大功率采煤机在我国陕北神东公司使用过程中的优点和不足，避免了在设计过程中走弯路。
具备研发、制造、试验现代先进采煤机的条件和能力。
交流电牵引采煤机关键部件—模块化水冷变频器，我们和ABB公司合作研制了煤矿井下采煤机用模块化水冷变频器。
电气系统以数字化控制框架，首先做性能和中间试验，再对水冷式变频器在密闭的电控箱中做1:
1试验，直到达到设计要求后，开始电控箱的总体设计，确保设计、开发一次成功。
（6）机械结构设计技术方案
①牵引部结构设计
按照总体技术参数的要求，本采煤机项目属于特大功率采煤机类型。
单个滚筒的截割功率为900kW，牵引功率110kW，破碎机构电机功率150kW。
采煤机机面高度2121mm。
另外，该型采煤机为无底托架结构，为了适应过断层需要，采煤机采用液压螺栓将各部件联接为一刚性整体。
如何设计牵引部机壳及液压螺栓支承点结构是一个技术关键，也是总体思路能否实现的关键点。
经过与国外各种同类型采煤机结构比较分析，决定采取如下技术措施：
a.牵引部机械传动采用双级四行星轮传动结构,对传动结构、尺寸进行优化设计，按150kW功率对传动系统的齿轮、轴承强度进行计算，尽量减小行星机构外径尺寸。
b.牵引部机壳采用铸焊结合，对安装液压螺栓部位表面进行硬化处理，以提高抗压强度。
液压螺栓支承点尽可能为矩形，矩形面积尽可能大。
液压螺栓为圆柱形，便于加工制造，减小应力集中。
经过受力分析和计算，四条液压螺栓应力不超过材料的弹性极限。
通过以上技术措施，牵引部的结构尺寸和强度满足总体结构要求和150kW功率的要求。
②摇臂的设计
采煤机滚筒截割功率为900kW，电机与摇臂的安装尺寸完全相同。
因为总体要求采煤机具有很强的过断层能力，这就为摇臂的设计带来一系列难题。
经过与国内外同类产品对比、分析、研讨与论证，决定采取如下技术方案：
a.为提高摇臂强度，除在结构上提高强度外，采用合金铸钢增强摇臂壳强度；
b.为提高传动强度，摇臂行星减速器支承轴承采用美国铁木肯锥轴承；
c.采用两级平齿轮和两级行星齿轮传动，按1000kW功率设计。
技术关键：
a.在保证截割功率1000kW，摇臂行星减速器的设计是成功与否的关键，主要问题是强度不足。
经过优化设计，精确的齿轮、轴承强度和寿命计算，必须加大中心齿轮和行星轮的宽度才能实现。
齿轮宽度太大，对齿轮的精度要求则过高。
经过研究、分析、计算，决定采用双级四行星轮新结构，解决了大功率小尺寸的矛盾问题。
b.摇臂箱体功率大，散热面积小，如果依赖摇臂壳水道水冷不足以解决摇臂壳体油温过高的问题。
根据经验，摇臂壳体热平衡温度达100℃左右，如不进一步采取措施，该产品摇臂壳体油温会更高，很难满足特大功率工况的要求。
为解决此问题，决定采取摇臂内腔设置水冷却器的技术措施，采用直径Φ18mm共长度钢管，按摇臂可利用内腔形状制成管式水冷却器，进、出水口与摇臂水道联接，同时在摇臂行星头腔内设置一管式水冷却器（Φ22mm铜管，长度4m）。
通过此措施,成功解决了摇臂箱体传递功率大油温过高的问题（实际热平衡温度降低至70℃左右）。
c.摇臂行星头滑动密封圈漏油是目前所有采煤机的一个顽疾，也是造成润滑不良，行星头传动元件损坏，以至采煤机不能正常使用的严重问题。
经过对大量现有采煤机滑动密封圈漏油的分析研究，认为摇臂行星架支承轴承的磨损造成行星架轴向串动量过大是滑动密封圈漏油的主要原因之一。
传统的摇臂行星架支承轴承是老塘侧为一圆柱滚子轴承，煤壁侧为一双列球面滚子轴承，这种轴承支承组合径向承载能力强,轴向承载能力弱，具有一定的调心作用。
但由于滚筒受力情况很复杂，往往有强大的轴向力产生，经常造成支承轴承轴向方向磨损较严重，造成行星架轴向串动量过大。
行星架轴向串动过大造成滑动密封圈密封刃口压紧力减小，甚至两密封刃口脱离而造成严重漏油。
为解决这个问题，本摇臂行星架拟更换轴承类型，采用双列圆锥滚子轴承和一个两挡边轴承替代原来的双列球面滚子轴承或两个单列圆锥滚子轴承支撑定位方式。
这种定位方式除了能很好地解决采煤机在斜切进刀和正常采煤时承受的各种轴向力和径向力以外，也解决了成对单列圆锥滚子轴承在安装时轴向间隙调整困难的问题。
事实证明，采用双列圆锥滚子轴承大大改善了滑动密封圈漏油状况。
③滚筒设计
根据总体要求，采煤机必须具有很强的过断层能力。
针对不同使用条件设计不同滚筒。
对需过较大断层的采煤工作面设计高强度破岩滚筒。
技术关键：
a.选用破岩截齿、齿座；
b.增加叶片厚，叶片厚度由70mm增加到100mm以提高结构强度和焊接强度；
c.增加耐磨板高度，以提高装煤效果；
d.堆焊耐磨层，以提高滚筒耐磨性；
e.设计时增加滚筒重量，以提高滚筒惯性力和截割能力，减小滚筒的震动。
（7）电气控制系统、结构设计及关键技术
①“一拖一”，主、从控制最适合于采煤机牵引系统
“一拖一”方式。
所谓“一拖一”是指一台变频器拖动一台牵引电机，一台采煤机由两台变频器分别控制两台牵引电机。
b.引进消化吸收ABB的DTC控制方式变频器，设计了模块化水冷变频器，又兼有主、从应用宏控制功能，解决了两台牵引电机负荷平衡问题。
主变频器既有速度控制又有转矩控制；从变频器只有转矩控制。
主、从同时驱动一个共同负载，完全保证了其负荷平衡分配。
②电控箱结构设计
采煤机电气控制部分分为三个独立的电控箱，它们和一个独立的调高泵箱分别从老塘侧装入中间联结框架内和右牵引部的一段框架内，均为抽屉式结构形式，四个独立部件不受力，拆、装、运输、维修方便。
电气高低压元件分箱布置，增强了可编程控制和嵌入式计算机的抗干扰能力。
变压器箱三面环水，有效解决了变压器散热问题，具有良好的冷却效果。
③电气控制系统关键技术
a.同步与均载，一拖一主从控制拖动系统，DTC直接转矩交流变频调速技术。
b.大功率模块化水冷式变频器设计。
电气控制系统的核心控制部件，选用可编程控制器PLC和嵌入式计算机，具有可靠性高，抗干扰能力强，并且采用模块式硬件结构，CAN现场总线信号传输方式，接线简单，联接可靠，有利于维护人员方便地更换故障模块，系统软件、硬件模块化设计，便于维护和升级换代。
采煤机在实际生产应用中，程序运行稳定、可靠，获得用户的一致肯定。
人机界面友好，能够直观地反映现场信号的变化状态、故障、警告信息。
（8）采煤机远程监控中心的建设及监控系统的技术关键
关键技术：
a.远程监控中心的设计；
b.工作面无线数据、音频、视频信号传输；
c.专家诊断软件的开发。
客户受益优点:
e.专家不必在现场,减少故障排除时间,提高开机率
（9）采煤机记忆截割跟机修正系统
关键技术
在详细分析采煤机记忆调高系统功能及其复杂性的基础上，提出系统的结构体系，主要包括人工调高、滚筒截割路径规划和截割轨迹跟踪等三个工作模块组成，每个模块中要记录各工作模块所需的各层次的信息及结果。
本项目利用高性能处理器PC104对采煤机进行集中控制，是采煤机控制上的先进应用。
在滚筒路径的规划工作模块中，通过拟合、插补、优化等算法对工作面的滚筒的路径优化。
同时考虑采煤工艺要求、工作面设备能力、调高过程的人工干预和煤质要求，采煤机滚筒截割目标轨迹的优化是记忆调高工作中的关键。
在路径跟踪工作模块中，通过对液压伺服的滚筒调高系统的运动学和动力学分析，设计了基于反馈误差学习算法自适应控制策略，因此调高系统的液压伺服控制系统要能满足滚筒位置控制的精度、稳定性和动态特性的要求，这样跟踪精度才能满足工程需要。
煤矿井下环境恶劣，随处存在交变强磁场，调高控制和滚筒位置控制所需的各种传感器和机载计算机的抗干扰和防爆设计研究，也是此项目中的难点之一。
这些传感器和计算机除满足性能指标外，同时必须满足井下特殊环境（防潮、防爆，防尘，防振）的要求。
系统意义：
a.综合机械化采煤的必由之路，也是实现采煤工作面自动化无人值守的前提条件。
b.提高采煤效率，减轻工人劳动强度
（10）MG900/2210-WD型采煤机总体设计和电气控制系统特点
①总体特点
MG900/2210-WD型交流电牵引采煤机采用多电机传动，电机横向布置的总体设计，其结构简单可靠，各大部件之间只有联接关系，没有传动环节，其主要特点如下:
a.所有电机横向装入每个独立的机箱内，为抽屉式型式，各部件均有独立的动力源，省略了复杂的螺旋伞齿轮传动及过轴系统，各大部件之间无力的传递，故障点、漏油点减少，维护、维修方便。
b.三个独立的电气箱部件和一个独立的调高泵箱部件分别从老塘侧装入中间联结框架内和左右牵引部的一段框架内，均为抽屉式结构型式，该三个独立部件不受力，拆装运、维修方便。
c.机身由三段组成，采用液压螺栓和高强度螺栓、液压螺母联结为一个刚性整体，无底托架，增加了过煤空间高度。
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