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煤炭生产中煤矿机电一体化产品的运用

时间:2015-08-19 来源:未知 作者:小韩 本文字数:5650字

  随着煤矿生产不断向深部水平发展,对控制水平和规模的要求越来越高,加速了机电一体化技术的发展和进步。进入 21 世纪,我国煤矿机电一体化技术的研究和应用均有重大突破,尤其在煤矿安全生产监控、大型设备综合后备保护及矿井生产过程自动控制方面取得可喜成绩。采用机电一体化产品的煤矿,能够获得可观的技术、经济和社会效益。机电一体化是现代科学技术发展的必然结果。现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入以“机电一体化”为特征的发展阶段。

  1 国内机电一体化的现状和发展

  机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。

  机电一体化发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的更高的内容。如机电液一体化,与网络技术结合远程控制和监测,与机器人相结合的高度智能化等。其机电一体化基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术及电力电子技术,根据系统功能目标要求,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此“,机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体系。但是,发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还被赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制、自动诊断与保护等。也就是说,机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的延伸,智能化特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

  机电一体化的发展大体可以分为三个阶段:

  1)20 世纪 60 年代以前为第一阶段,这一阶段称为初级阶段。

  2)20 世纪 70-80 年代为第二阶段,可称为蓬勃发展阶段。这一时期,计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现,为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。大约到20 世纪 80 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;机电一体化技术和产品得到了极大发展。

  3)20 世纪 90 年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入深入发展时期。一方面,光学、通信技术等进入机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。

  我国是从 20 世纪 80 年代初才开始进行这方面的研究和应用。

  机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展。机电一体化的进一步主要发展方向大致有以下几个方面:

  1.1 智能化。智能化是 21 世纪机电一体化技术的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用之一。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,使它具有判断推理、逻辑思维及自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。诚然,使机电一体化产品具有与人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速度的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或者人的部分智能,则是完全可能而且必要的。

  1.2 模块化。模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口和环境接口等的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又非常重要的事情。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元,具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置等。有了这些标准单元就可迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模。为了达到以上目的,还需要制定各项标准,以便于各部件、单元的匹配。

  1.3 网络化。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术的应用使家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(home net)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统 (computer integrated appliance system,CIAS),能使人们呆在家里就可分享各种高技术带来的便利与快乐。因此,机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。

  1.4 微型化。微型化兴起于 20 世纪 80 年代末,指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS),泛指几何尺寸不超过 1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小,耗能少,运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有无可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术。微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

  1.5 环保化。工业的发达给人们生活带来巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品,具有远大的发展前景。机电一体化产品的绿色化主要是指,使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。

  1.6 系统化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化有两层含义:一层是如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性等等,显得越来越重要,特别是对家用机器人,其高层境界就是人机一体化;另一层是模仿生物机理,研制出各种机电一体化产品。

  2 煤矿机电一体化产品在煤炭生产中的应用
  
  机电一体化的发展和进步依赖并促进了相关技术的发展和进步。它的发展对煤炭系统产生了很大的冲击,采用机电一体化产品将大大改善煤矿生产的劳动强度、工作环境及安全系数,同时在降低能耗、保证安全生产方面也实现了特定的价值。它可不必更换设备,而对产品结构和生产过程进行必要的调整、改革,对传统的机械工业注入新鲜的血液,实现安全、高效、文明生产。

  2.1 煤矿机电一体化产品。煤矿机电一体化产品已在许多煤矿得到广泛应用。国产的以计算机为核心的电牵引采煤机、全数字交、直流提升机已占领国内市场,我国已能生产用计算机监控的掘进机、胶带运输机、矿井供电设备等。

  另外煤矿安全生产监控系统、胶带机集中控制系统、矿井生产过程自动、远程控制和信息化管理、图像监视井下关键设备和主要工作地点、调度室的装备实现数字化、计算机网络管理系统在生产调度、财务、人力资源、设备、销售及办公自动化都得到了普遍应用。煤矿机电一体化产品实现了设备的自动化、智能化、信息化等等,为煤矿生产实现高安全、高可靠、高效率和高效益提供了保障。

  2.2 煤矿机电一体化产品在枣矿集团柴里煤矿的应用。现以改造的枣矿集团柴里煤矿为例进行叙述,柴里煤矿现有在册职工 1.2万人,是我国第一对厚含水冲击层下开采特厚煤层的试验型矿井,是枣矿集团的骨干生产矿井之一,于 1964 年 10 月建成投产,历经三次改扩建,年产量从 30 万吨提高到 300 万吨。目前已经成为集原煤生产、矸石发电、煤焦化工、机械修造、电子科技、空调生产、国际贸易为一体的综合效益型现代化企业。柴里煤矿的提升系统分为主井提升及斜井提升系统。

  主井提升系统,属于立井提升,单绳缠绕式提升设备,交流电动机拖动及控制,专门提升井下生产的煤炭,井筒使用密封钢丝绳罐道,立井箕斗。主井提升设施经过第一、二次改扩建,已做为矿井主提升井,装备了洛阳矿山机械厂生产的一台 2JK-4/20 型绞车,井深 173.1m,净径 4.5m,天轮直径 4m,天轮轴承为滚动轴承,提升高度为 197m,提升速度 6.21m/秒,两路低压电源由 35kV 变电所提供。

  对箕斗改造,将 J-8 型 8 吨仿苏箕斗改造为容积 11 吨的新型箕斗,卸载方式由底卸式改为侧卸式。将 YR800-10/1180 型800kW 电机更换为 YR143/46-10 型 1000kW 电机,安装真空换向柜 TZHK-D400/6 型,对转子重新配阻。将电控系统更换焦作华飞生产的 JTDK-PC-01S 型可编程控制器,撤除了磁力站、测速发电机,实现了自动化运行,拆除旧转子屏,安装焦作华飞电子电器工业有限公司生产的 JTDK-ZN-ZKT/P,交流提升机电控系统和 JT-DK-ZN-SCR 可控硅无触点调速柜,取代老系统。在上下井口硐室分别安装了卸载操作台、装载控制箱,更换箕斗为石家庄生产的铝合金箕斗。

  南副井提升方式是辅助提升井,属于立井提升,单绳缠绕式提升设备,交流电动机拖动及控制,专门提升矸石、物料、升降人员和设备等,井筒使用组合玻璃钢罐道,立井罐笼。南副井提升井深 151.7m,净径 6.6m,装备洛阳矿山机械厂产一台 2JK-3.5/20 型绞车,配用东方电机厂产 YR143/39-12 型,630kW 滑环式电机,天轮直径 4m,天轮轴承为滚动轴承,提升速度 4.5m/秒,两路低压电源由 35kV 变电所提供,将电控系统更换焦作华飞生产的 JTDK-PC-01S 型可编程控制器,撤除了磁力站、测速发电机,实现了自动化运行。

  由于南付井井筒风速高,淋水大,罐道梁、托罐梁锈蚀严重,导致罐笼在运行中振动大,严重影响矿井安全提升,成为矿井生产的重大隐患。对南付井改造工程进行调研,然后委托南京设计院对南付井改造工程进行设计、概算,最后改造工程委托集团公司中兴建安公司(原第三工程处)进行施工。安装防过放、防过卷、防坠装置,更换了木质罐道为玻璃钢罐道,材质为 180×180×11998(玻璃钢) 采用 FHT 型弹簧缓冲式罐笼安全承接装置,BS 型多盘式防过卷过放装置。上井口安设了摇台装置,方便了进出大件。更换南付井东西勾罐笼,东勾罐笼是单层双车单绳铝合金罐笼,罐笼自重 4306kg,最大允许载荷 11T,南付井更换电控系统,采用焦作华飞电子电器有限工业有限公司生产的 JTKD-ZN-ZKT/P 型交流提升系统,该装置 PLC 采用日本三菱公司生产的 FX2N 型可编程序控制器,加速柜采用 JTDK-ZN-SCR 型可控硅无触点调速。安装了低频柜、换向柜。

  斜井提升设施提升斜长 1422m,倾角 15°30',净断面 10.23m2,担负矸石、材料、设备的提升下放,安装洛阳矿山机械厂产 2JK-3.5/20 双滚筒绞车,现装备东方电机厂生产的 YR500-12/1180 型500kW 电机,ZLR-170E 型减速箱,B157 型液压站,KZG-180/320-3380V 三相可控硅制动柜一直使用至今。

  机电一体化设备应用情况:近两年,投入大量资金,更新改造了老旧杂及高耗能设备,采用机电一体化产品,不仅提高了安全生产系数,还降低了能耗成本,提高了效率和经济效益。

  1)MGD150NW 采煤机:根据柴里煤矿目前的采掘条件,针对部分采区储量,提高生产效率势在必行。为提高安全质量、提高掘进速度,选择了辽源煤矿机械厂生产的 EBJ-120 型悬臂式掘进机2 台,MGD150NW 采煤机 5 台,采煤效率提高 300%,大大提高了产量,降低了成本。

  2)综采液压支架:柴里煤矿为实现采煤机械化、提高工效、增加产量、提高人身及设备安全系数,减轻重体力劳动,首次在残采工作面使用了郑州四维机电设备制造有限公司生产的综采液压支架。其中 ZFG4800/18/30 综采放顶煤过渡支架 5 架、ZF4000/16/28 基本支架 126 架,提高了残采工作面的回采率,体现了机电一体化产品独特的优越性。

  3)钢丝绳损伤定量检测系统:煤矿钢丝绳使用中一直存在着不安全、不经济、低效率、不可靠、危害大的难题。钢丝绳的检测一直靠人工目视、手摸,耗时、耗工、效率低下。选用了洛阳钢丝绳检测技术有限公司生产的 TCK 钢丝绳损伤定量检测系统,这个系统具有检测精度高、分辨率强、性能稳定、集成化、适用性强、使用方便的特点,能够定量检测钢丝绳断丝、磨损、锈蚀、疲劳等损伤,节约了检测时间、检绳人员、1/3 钢丝绳用量并有效预防了断绳事故的发生。

  4)自耦减压起动控制柜:柴里煤矿是六十年代的老矿井,设备陈旧,随着产量的萎缩,大型设备的高耗能问题越显突出。主扇风机是煤矿的四大件之一,该设备的性能、特性的优劣直接影响矿井的安全生产和正常运行。对矿主扇风机进行更新改造,经选型设计,选取了燕京 2 台和湘潭平安电气集团有限公司生产的BD-Ⅱ系列弯掠组合正交型隔爆对旋轴流式主通风机 2 台,配备了 JJ2B 系列自耦减压起动控制柜,提高了效率、节约了能源、降低噪音、改善了环境污染,保证了矿井安全生产的顺利进行。

  5)其它:还采用了 PLC 煤矿提升机综合后备保护装置、PZBJ-Ⅱ型皮带机综保监控仪、ZDC30/30 煤矿用斜巷防跑车挡车装置、BKGWD 系列温度传器、QBZ-1200/1140(660)矿用隔爆型智能化组合开关、GDTF-1 型轨道监测系统、电子秤计量监测系统等煤矿机电一体化产品,矿井生产系统逐渐向智能、信息、控制、综合模式发展。

  综上所述,机电一体化是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物,机电一体化产品的合理的应用为枣矿集团柴里煤矿带来的生机和效益,对煤矿发展起到了很大的推动作用。当然上述的运用只是初步、冰山一角。在煤矿发展中机电一体化相关的技术还有很多有待开发和利用,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机电一体化技术的发展前景也将越来越光明,我相信煤矿的发展会与机电一体化的发展同步,开创煤矿的新纪元。

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