刮板输送机技术发展历程（三）——驱动与智能控制技术
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葛世荣.刮板输送机技术发展历程（三）——驱动与智能控制技术[J].中国煤炭，2024，50（4）：1-12.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.04.001
GE Shirong.The development history of scraper conveyor technology (Part three): intelligent drive and control technology[J].China Coal，2024，50（4）：1-12.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.04.001
论文概要
刮板输送机自诞生以来，其控制技术从人工控制发展为集中控制、远程控制、自动控制、智能控制。在综采工作面 “大三机”中，刮板输送机是最先实现自动化，也是最早跨入初级智能化的采矿装备，智能刮板输送机支撑了智能化采煤时代的发展。认为，高级智能化刮板输送机至少应具备运行状态、机器姿态和设备状态３种状态，具备自主感知、自主决策、自主调控３种能力，以此形成采煤工作面煤流装载运输智能协作机群。总结了刮板输送机软启动技术发展，介绍了刮板输送机转弯驱动技术。指出，最新研发的永磁电机半直驱刮板输送机取代了传统驱动方式，使刮板输送机在综采工作面端头占用的空间大幅度缩减，提升了输刮板送机的驱动智能性、设备运行的可靠性、井下空间的通畅性和端头顶板的支护性。近年来，国外公司推出的 OptiDriveAFC 自动控制系统，国内公司推出的采煤工作面远程集中监控驾驶舱和刮板输送机智能控制系统，均具有刮板输送设备工况监测、链条自动张紧、煤量监测、关键零部件健康状态分析、智能启动调速及故障诊断等功能，支撑了综采工作面的全自动化运行。
作者简介
葛世荣(1963-)，男，汉族，浙江天台人，教授、博士生导师，中国工程院院士，中国矿业大学(北京) 校长，从事智能矿山装备、摩擦可靠性工程和矿山机器人研究。主持国家“973计划”项目“深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究”、国家“863计划”重点项目“掘进机和采煤机远程监测和控制关键技术”、国家自然科学基金重点项目“煤矿井下无人化综采机组的智能感知与协同控制基础研究”和国家重点研发计划智能机器人重点专项“大型露天矿机器人化自主运输装卸系统关键技术与应用示范”项目。率先提出矿井提升机智能补偿制动技术思路、基于地理信息导航的采煤机自主导航截割技术架构和掘进机平行智能掘支运技术模式、数字孪生智慧矿山理论与技术和煤矿机器人技术谱系，研制成功我国第一台安标认证的煤矿搜救机器人、自动截割滚筒采煤机、自动截割悬臂掘进机、超长运距永磁电机智能驱动带式输送机和超重型永磁电机智能驱动刮板输送机。获国家技术发明二等奖3项和国家科技进步二等奖1项等科技成果奖励，获“中国青年科技奖”、 “全国优秀科技工作者”、“何梁何利基金科技进步奖”、“世界能源论坛技术创新奖”、“孙越崎能源科技大奖”、全国“第二届创新争先奖状”等学术荣誉。E-mail：gesr＠cumtb.edu.cn。
刮板输送机智能控制的重要意义及其发展科普介绍
刮板输送机运动的控制技术十分关键，智能性尤为重要。2020年，作者曾提出智采工作面机组的智能性应具有仿生特征。采煤机如同仿生鼹鼠挖掘洞穴，在割煤过程中能够实现力感调速、视觉调姿、触觉避障、自主定位、嗅觉探测的自感调温等智能性。液压支架如同仿生大象承担重载，在支护围岩时能够用象腿调力、弓背调高、脊背感知、躯干调姿、自主迈步和视觉排列等智能性。刮板输送机如同仿生蟒蛇爬行，在运动时展现出屈伸推进、自主伸直、自感摩擦、自身抗磨、自主调速和自适弯曲的智能性。可弯曲刮板输送机运动机构应有仿生蟒蛇３个自由度的运动控制能力，能够自由协调控制前向爬行驱动、侧向弯曲移动和抬头仰起运动。但是，刮板输送机输送煤流的前行运动只能依靠机头和机尾牵引刮板链，侧向弯曲智能借助外力推移来实现，其智能性还远不及蟒蛇。长期以来，提高刮板输送机驱动的负载适应性和工况智能性一直是其技术创新的方向。
刮板输送机智能控制是采煤自动化、智能化的核心技术，其关键在于驱动性能调控，使采煤工作面煤流运输实现无人化安全高效生产。从21世纪开始，我国煤矿刮板输送机经历了单片机控制、可编程控制器控制单机，目前已发展到分布式控制系统 (DCS)，实现与采煤机、液压支架的交互联动控制，还可实现综采工作面巷道近程和地面远程监控。
主要内容
首先，作者对刮板输送机可控变速驱动技术内涵进行了科学阐释，并对其发展阶段进行了介绍，同时说明了软起动对刮板输送机的重要性，进而介绍了国内外的相关发展。驱动装置是刮板输送机的心脏，它直接影响刮板输送机的输送能力及工作可靠性。早期的小功率刮板输送机采用直接启动方式，导致启动电流和启动加速度很大，存在启动时电机冲击力大、影响电网中其他设备运行、电机启动电流过大而发热等问题。因此，刮板输送机需要可控变速的软启动控制技术，共经历双电机驱动、液力偶合器调速、行星差动调速、大功率电机变频调速、永磁电机调速等发展阶段。为了解决刮板输送机满载启动、降低刮板输送机冲击负荷及防止电机过载等问题，国内外都研发双速变极电机作为重型刮板输送机的驱动设备。双速电机拖动刮板输送机取消了减速器的液力联轴器，属于刚性传动，不能吸收运输中的动负荷，也无法对输送机提供任何保护作用，仍会时常发生断链和烧毁电机的事故。对此，美国、德国提出了“软启动”概念，使电机在空载下启动，达到额定转速后，以无冲击加速进入稳定运行速度状态。1980年代初，德国恩斯塔夫 (Ensdorf)煤矿把福伊特公司研制的 DTP调速型液力偶合器首次在2×400kW 刮板输送机使用，通过微机控制进口供液流量，实现输送机空载启动，使启动过程的电网压降减少10％~14％，明显降低了刮板输送机链条磨损和拉伸变形。从此，矿山刮板输送机“硬”传动变为无磨损 “软”传动。目前，液力耦合器在矿山应用占比40％，用于连续运输机械占34.4%。
其次，重点介绍了刮板输送机永磁智能驱动技术。永磁同步电机是１种利用永磁体励磁的同步电机，能实现低转速大转矩传动，与同功率的异步电机相比，功率因数高5％~10％，具有发热量小、节电、高效的优点，非常适用于煤矿重型运输设备系统的重载启动与低速运行控制。目前，大功率永磁防爆变频一体机已覆盖功率55~3000kW、电压660~10000V 的系列产品。永磁电机半直驱刮板输送机取代传统的“异步电机＋耦合器＋减速器＋刮板输送机” “异步电机＋可控启动装置＋减速器＋刮板输送机”和 “变频器＋异步电机＋减速器＋刮板输送机”驱动方式，在系统的可靠性、功率平衡、传动效率、调速性能等方面具备明显优势。目前，中国矿业大学 (北京)与山东久鼎机械制造公司联合研发成功综采工作面２×1200kW永 磁 电 机 驱 动 刮 板 输 送 机及 配 套 转 载 机 (700kW)、破碎机 (525kW)全永磁智能驱动输送成套装备，使传动系统集成度显著提升，传动机构大幅简化。2020年，作者创新提出分布式永磁驱动刮板输送机技术构想，并开展了技术方案研究。
第三，阐述了刮板输送机连续转弯驱动技术原理及其国内外相关技术装备的发展。常规刮板输送机仅以直线刮板链驱动，遇到拐角运输巷道时，须用转载机进行搭接，才能实现连续运输，这在某种程度上增加了煤流输送系统复杂性，降低了智能化程度。可弯曲刮板输送机采用转动机构，可使刮板链转弯驱动，实现拐角连续运输，简化了巷道结合部运输设备的复杂度，把综采工作面刮板输送机与巷道带式输送机合为一体，突出优势表现为:取消了转载机，简化了综采工作面输送系统，降低了输送系统故障率，减少了粉尘生成量，综采工作面刮板输送机传动部可移至巷道， 采煤机可以截割综采工作面全长煤壁，从而大大增强了刮板输送机自动化运行效率。我国在这一领域的研发制造20世纪80年代开始起步，2017年６月，阳泉煤业集团与德国HB布朗公司合作研发出SGZ1000/1710型直角转弯大功率重型刮板输送机，同年12月该机在阳泉煤业集团新元煤炭公司3207综采工作面进行了工业性试验，实现最高月产25万t， 工效为77.7t/工，比传统刮板输送机提高20％。
第四，重点阐述了刮板输送机智能控制技术发展。刮板输送机自诞生以来，控制方式最初是人工，之后经历了集中控制、远程控制、自动控制、智能控制等４个发展层次。1971年，苏联有131个煤矿井下运输、井底车场、固定设备实现了自动化，促进矿井煤炭产量增加约40％，生产工人效率提高30％，劳动生产率提高了２倍。苏联煤矿使用自动化刨煤机组，实现远程启停控制、刨煤机和刮板输送机驱动机构自动调整、刨煤机位置监视、自移支架、自动控制、机组运行轨迹直线度及偏斜度控制。1993年，英国第１个全自动化集成示范综采工作面在凯林莱矿进行井下试验，使综采工作面能够成为一个整体并自动推进采煤，全综采工作面每班只需２名工作人员管理。2018年，国外刮板输送机智能控制技术变为基于变频技术的调速控制，久益公司推出Opti Drive AFC自动控制系统，实现了刮板输送机链条和负载的适应性控制。1978年，河北省煤研所与峰峰矿务局煤研所共同研制YZK型煤矿刮板运输机动力载波集中控制装置，可同时控制10台刮板输送机，具有逆煤流顺序延时启动各台刮板输送机、 瞬时停止全线刮板输送机、对刮板输送机的断链和斜链以及电机堵转等经常发生的事故进行保护等功能；还有联系信号、启动预告信号及事故报警信号及显示 各 台 刮 板 输 送 机 运 转 或 事 故 状 态 的 显 示功能。2022年，张家口煤机公司研发出500m超长运距刮板输送机智能控制系统，该系统采用现场总线通讯方式，集成了变频驱动、工况监测、链条自动调节控制、危险区域人员进入检测控制、数字马达紧链控制和煤流检测等相关设备的智能控制，开发了多接口、多协议、本地/远程控制的成套输送系统集控装置，具有刮板输送机运行过程智能控制、工况数据监测、采集、存储、分析、诊断、预警及上传等功能，实现了刮板输送机的在多种工况下的智能运行。
最后，作者对刮板输送机智能驱动控制技术进行了总结。作者认为，在过去80年发展历程中，刮板输送机装备创新为综合机械化采煤技术进步奠定了关键基础，也是当前智能化采煤工作面技术发展的脊梁。智能自适应驱动是智能刮板输送机的核心技术，目前大功率变频驱动一体机技术已经成熟应用，但随着驱动功率进一步增大，散热问题和设备空间过大问题突出，改用永磁电机半直驱技术大势所趋，这将成为今后智能刮板输送机的主流驱动技术。随着单机驱动功率1000kW 以上的永磁电机半直驱刮板输送机的研制成功，将使刮板输送机在综采工作面端头占用空间大幅度缩减，显著提升刮板输送机驱动智能性、设备运行可靠性、井下空间通畅性和端头顶板支护性。 未来刮板输送机将实现数字孪生智能监控，通过机器视觉、深度学习、平行智能等技术融合，能够实现刮板输送机全系统、全时域、全流程的感知、优化、反馈和监控，增强刮板输送机感控自主性和智能性，使其达到无人化运行境界。
主要图表
表1 永磁电机驱动刮板输送机系统简化优势
表2 异步电机驱动与永磁电机驱动参数对比
表3 刮板链转弯驱动方式
图1 智采工作面机组智能性仿生特征
图4 分布式永磁驱动刮板输送机示意
图8 直角转弯刮板输送机结构示意
图9 张家口煤机公司智能刮板输送机控制系统架构
