機(jī)電一體化在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用VIP

1、機(jī)電一體化在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 機(jī)設(shè)083（10082504） 朱鑫波摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。機(jī)電一體化是一種復(fù)合技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦采、掘、運(yùn)裝備的應(yīng)用和推廣,極大地提升了我國煤礦生產(chǎn)的綜合實(shí)力,為實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的煤炭工業(yè)生產(chǎn)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。煤炭系統(tǒng)也在利用機(jī)電一體化技術(shù)改造舊設(shè)備和開發(fā)新產(chǎn)品方面做了大量的工作，取得一定的成效。它已使人們清楚地認(rèn)識到，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)高效、安全、機(jī)械化采

2、煤和煤礦機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要途徑。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化，煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品，煤炭機(jī)械，應(yīng)用一、機(jī)電一體化概要機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。 機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多

3、功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，“機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是，機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機(jī)械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機(jī)電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自

4、動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等。即機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。二、機(jī)電一體化的核心技術(shù) 機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手。 （一）機(jī)械本體技術(shù) 機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快

5、速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。 （二）傳感技術(shù) 傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。 （三）信息處理技術(shù) 機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息處理設(shè)備（特別是微型計算機(jī)）的普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。 （四）驅(qū)動技術(shù) 電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極

6、發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件-傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動單元。 （五）接口技術(shù) 為了與計算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。 （六）軟件技術(shù) 軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。三、機(jī)電一體化在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品是把各項(xiàng)高新技術(shù)融于一體的高科技

7、產(chǎn)品，其主要技術(shù)包括：微電子、計算機(jī)、自動控制、人工智能、傳感產(chǎn)品可靠性等等，這些都是科技高速發(fā)展的熱門技術(shù)。在煤礦企業(yè)中，開始利用機(jī)電一體化技術(shù)對煤炭系統(tǒng)進(jìn)行改造舊設(shè)備和開發(fā)新產(chǎn)品，并取得了巨大的成功，這讓人們清楚地意識到，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)高效、安全、機(jī)械化采煤和煤礦機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要途徑。         3.1 礦井運(yùn)輸提升產(chǎn)品的應(yīng)用在煤礦生產(chǎn)中，因?yàn)楝F(xiàn)代化煤礦發(fā)展的需要，對煤礦機(jī)械化采煤提出更高的要求，那么隨之對井下、井上的運(yùn)輸和提升系統(tǒng)的要求也就越來越高。如今，對于國外一些采

8、煤技術(shù)比較先進(jìn)的國家，煤礦井下大巷的運(yùn)輸系統(tǒng)大多是采用帶式運(yùn)輸機(jī)，他們基本上是采用直流式交流變頻裝置驅(qū)動方式，主要以電力電子器件為核心。在英國和意大利等國家，高性能、高可靠性的磁阻電機(jī)在煤礦提升系統(tǒng)中也得以應(yīng)用。還有德國自主研發(fā)的內(nèi)裝式交交變頻調(diào)速提升機(jī)，它采用機(jī)電一體化技術(shù)把電機(jī)和滾筒做成一體，這樣的融合技術(shù)不論在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還是在電氣控制系統(tǒng)方面在世界上都處于領(lǐng)先地位。         在我國，大多數(shù)煤礦井下生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了皮帶化，采用大巷強(qiáng)力帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)姆绞揭卜浅Ｆ毡?。另外，計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展也非常迅速

9、，它們具有很多種及時故障診斷和自我保護(hù)等功能，如應(yīng)用過程中的軸承溫度、倒轉(zhuǎn)、跑偏及斷帶等故障，可能在某些方面沒有面面俱到，在使用上還不能滿足一些功能，但是從發(fā)展的角度看問題，這的確是一個很好的開始。目前，我國直徑在兩米以上的提升機(jī)有1700多臺，其中90%為交流提升機(jī)，并且均是采用轉(zhuǎn)差功率消耗型的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電控系統(tǒng)部分絕大多數(shù)仍采用繼電器接觸器系統(tǒng)，只有一小部分采用可控制編程器。直流提升機(jī)多數(shù)為發(fā)電機(jī)拖動，雖有部分可控硅供電系統(tǒng)，也均為模擬量控制。而PLC可編程控制器使用比較簡單，程序設(shè)計起來也比較容易，不需要一些復(fù)雜的輸入輸出接口裝置，抵抗外界的干擾能力也很強(qiáng)，因此，它能在環(huán)境比較惡劣

10、的情況下進(jìn)行長時間工作。3.2 綜合機(jī)械化采煤 1970年，我國自主設(shè)計制造裝配了第一套綜合機(jī)械化采煤工作面，并在大同礦務(wù)局進(jìn)行試驗(yàn)使用，一直試驗(yàn)使用到80年代后期，這項(xiàng)技術(shù)的使用標(biāo)志著我國的煤礦綜合機(jī)械化采煤有了重大的突破性發(fā)展，推動了煤礦自動化的發(fā)展進(jìn)程，同樣，采煤機(jī)也由液壓牽引開始轉(zhuǎn)向電牽引；液壓支架的控制系統(tǒng)也逐漸向計算機(jī)化發(fā)展，以計算機(jī)為核心，采用電液控制，移架自動化得以實(shí)現(xiàn)。另外，對工作面刮板運(yùn)輸機(jī)也進(jìn)行了微機(jī)監(jiān)控裝置的配置，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)自動化控制。機(jī)電一體化技術(shù)在綜合機(jī)械化采煤中的應(yīng)用，使設(shè)備動作趨于協(xié)調(diào)，且安全性、可靠性大為提高，操作性能更加完善，為煤炭企業(yè)帶

11、來了更高的經(jīng)濟(jì)效益。3.3 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng) 從多數(shù)煤礦使用監(jiān)控系統(tǒng)的效果來看，還存在一些問題，但是主要問題是傳感器的不足，并且使用過程中，其穩(wěn)定性相對較差，使用壽命不足，一些研究所和使用單位在這方面進(jìn)行了大量的研究，對一些關(guān)鍵技術(shù)也實(shí)施多次再設(shè)計改進(jìn)措施，但仍然沒有得到預(yù)期的效果，因此這些在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用率不是很高。在國外，由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)軟硬件技術(shù)發(fā)展很快，運(yùn)行速度和質(zhì)量也在不斷提高，傳輸介質(zhì)由同軸電纜發(fā)展到光纜，信息媒體由字符發(fā)展到聲像，煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，他們的機(jī)電一體化技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用已有了非常高的水平。我國煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是煤炭行業(yè)內(nèi)部機(jī)

12、電一體化技術(shù)推廣應(yīng)用最快的產(chǎn)品，一些高校、科研所和企業(yè)正在研究和生產(chǎn)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。 3.4機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用 電牽引采煤機(jī)是機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)的一個典型應(yīng)用。與液壓牽引相比，它具有一下特點(diǎn):良好的牽引特性:可以在采煤機(jī)前進(jìn)時提供牽引力，使其克服阻力移動，也可以在采煤機(jī)下滑時進(jìn)行發(fā)電制動，向電網(wǎng)反饋電能?？捎糜诖髢A角煤層:牽引電動機(jī)軸端裝有停機(jī)時防止機(jī)器下滑的制動器，因?yàn)樗脑O(shè)計制動力矩為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.62.0倍，所以電牽引采煤機(jī)可用在40°50°傾角的煤層，而不需要其它防滑裝置。運(yùn)行可靠，使用壽命長，電牽引和液壓牽引不同，前者除電動機(jī)

13、的電刷和整流子有磨a損外，其它元件均無磨損，因此工作可靠，故障少，壽命長，維修工作量小。反應(yīng)靈敏，動態(tài)特性好:電控系統(tǒng)能及時調(diào)整各種參數(shù)，防止采煤機(jī)超載運(yùn)行。結(jié)構(gòu)簡單、效率高:電牽引采煤機(jī)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能只做一次轉(zhuǎn)換，效率可達(dá)99%，而液壓采煤機(jī)的效率只有65%-70%左右。 1991年煤炭總院上海分院與波蘭瑪克公司合作，研制成功我國第一臺采用交流變頻調(diào)速M(fèi)G344-PWD型薄煤層強(qiáng)力爬底板電牽引采煤機(jī)以來，我國的電牽引采煤機(jī)有了較快的發(fā)展。國內(nèi)上海天地公司、太原礦山機(jī)械廠、西安煤機(jī)廠、雞西煤機(jī)廠等都生產(chǎn)交流變頻和直流電牽引采煤機(jī)，而且得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過近

14、20年的研制開發(fā)，我國的電牽引采煤機(jī)一逐步走向成熟，為煤礦生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步起到了積極的推動作用。 3.4機(jī)電一體化技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用帶式輸送機(jī)由于長距離連續(xù)輸送、輸送量大、運(yùn)行可靠、效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn)，已成為我國煤礦井下原煤輸送系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備。因此，成為近幾年來機(jī)電一體化技術(shù)的研究重點(diǎn)。目前主要采用機(jī)、電、液一體化的CST可控軟啟動裝置。它是一種專門為平滑起動運(yùn)送大慣性載荷，如煤炭或金屬礦石的長距離皮帶運(yùn)輸機(jī)而設(shè)計的軟驅(qū)動裝置。一條皮帶運(yùn)輸機(jī)可以由一臺或幾臺CST驅(qū)動。由于尚未解決動態(tài)分析和在線監(jiān)控技術(shù)以及啟動延遲技術(shù)，我國帶式輸送機(jī)的中間驅(qū)動點(diǎn)不能不知過多，一般為3點(diǎn)驅(qū)動，

15、這樣就限制了輸送機(jī)的單機(jī)長度和運(yùn)量。而且，輸送機(jī)的監(jiān)控設(shè)備功能少、可靠性較差、靈敏度和壽命都較低，和發(fā)達(dá)國家相比存在顯著的差距。3.5其他煤礦機(jī)電一體化裝置液壓支架則向電液控制方向發(fā)展，將計算機(jī)技術(shù)與液壓控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定壓雙向鄰架或成組自動移架，避免對頂板和支架產(chǎn)生沖擊載荷。我國神華集團(tuán)大柳塔礦采用從德國和美國引進(jìn)的電液控制的支架，移架速度為68s/架，最快的移架速度達(dá)3s/架。電液控制裝置還可檢測支架的工作狀態(tài)。 煤礦供電的特點(diǎn)是供電要可靠，質(zhì)量要高，能滿足大功率設(shè)備的要求。因此應(yīng)該推廣節(jié)能型產(chǎn)品。高壓開關(guān)柜采用維護(hù)量小，使用壽命長的真空開關(guān)。采用集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償相結(jié)合的辦法提高功率因

16、數(shù)，減少供電系統(tǒng)無功電流，減少無功功率損耗。目前高、低開關(guān)柜普遍采用了“微機(jī)保護(hù)”，具備網(wǎng)絡(luò)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、遙測、遙信和遙調(diào)。四、 對我國煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的思考 在20世紀(jì)，我國煤礦機(jī)電一體化技術(shù)(產(chǎn)品)取得了較大的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到了煤礦每個環(huán)節(jié)，但相對國外先進(jìn)煤礦還是比較落后的。因此，要讓我國煤礦機(jī)電一體化技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平，必須掌握信息時代機(jī)電一體化技術(shù)的特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的動態(tài)。 應(yīng)提高我國煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的程度；以計算機(jī)為機(jī)電一體化的核心裝置，因?yàn)橛嬎銠C(jī)運(yùn)算和存貯能力非常強(qiáng)，且體積和功耗小，更加適合于工作空間狹小的煤

17、礦機(jī)電一體化產(chǎn)品，在設(shè)計煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品時，應(yīng)盡可能的選用功能強(qiáng)大的嵌入式計算機(jī)，從而保證工作性能更可靠；對于新開發(fā)的煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)具有通信功能，同時，要選用很好的開放性和高可靠性的通信模塊，方便與控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接通信控制；煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品需要達(dá)到智能化發(fā)展水平，能判斷機(jī)電設(shè)備和周圍環(huán)境的狀態(tài)，使設(shè)備能自動適應(yīng)環(huán)境并以最優(yōu)的狀態(tài)工作，同時能快速地對所采集的參數(shù)進(jìn)行分析，從而對故障進(jìn)行診斷，再根據(jù)這些診斷結(jié)果對以后工作過程中的故障進(jìn)行預(yù)測；要對礦用傳感器進(jìn)行深入研究和開發(fā)，提高礦用傳感器的可靠性和使用壽命，同時考慮傳感器的數(shù)字化、集成化、智能化和多維化，使礦用傳感器在比較惡劣的工作環(huán)境

18、下進(jìn)行信號的測量，并保證其測量準(zhǔn)確度，并具有自校正、自診斷、狀態(tài)識別和自我調(diào)節(jié)等功能；要關(guān)注國內(nèi)外高新技術(shù)的發(fā)展，將那些適于煤礦井下工作環(huán)境的高新技術(shù)用于煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)品，從而提高煤礦現(xiàn)代化，達(dá)到煤礦自動化生產(chǎn)。 五、結(jié)束語 近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動化技術(shù)的飛快發(fā)展，信息流成為機(jī)電一體化的主要特色。其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化、智能化，在性能和功能方面均實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。因此，機(jī)電一體化技術(shù)是企業(yè)信息化的重要支撐技術(shù)，是礦山綜合自動化的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦采、掘、運(yùn)裝備的應(yīng)用和推廣，極大地提升了我國煤礦生產(chǎn)的綜合實(shí)力，為實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的煤炭工業(yè)生產(chǎn)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。煤礦機(jī)電一體化技術(shù)是煤礦綜合自動化的發(fā)展基礎(chǔ)，更是煤礦企業(yè)信息化建設(shè)的重要支撐技術(shù)，煤礦機(jī)電一體化技術(shù)在采、掘、運(yùn)、裝備等方面的應(yīng)用和推廣，大力地推動我國煤礦綜合生產(chǎn)力，同時，為實(shí)現(xiàn)安全、高效、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)代化、高科技煤炭工業(yè)生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。