葛世榮

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院，北京市海淀區(qū)，100083)

采煤機(jī)在煤礦惡劣環(huán)境和重載、沖擊等苛刻工況下運(yùn)行，對(duì)其強(qiáng)度、剛度、抗疲勞、抗磨損的可靠性要求很高。目前，許多現(xiàn)代化大型煤礦是“一井一面”集約化開(kāi)采模式，如果采煤機(jī)發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致采煤工作面和整個(gè)煤礦停產(chǎn)，對(duì)于一座年產(chǎn)500萬(wàn)t煤炭的工作面而言，采煤機(jī)停產(chǎn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近800萬(wàn)元/d。

采煤機(jī)可靠性是在預(yù)知地質(zhì)條件下無(wú)故障地完成開(kāi)采任務(wù)的能力，設(shè)備開(kāi)機(jī)率(Equipment Operation Rate，EOR)和平均無(wú)故障維修時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)是衡量可靠性的2個(gè)主要指標(biāo)，它們與采煤機(jī)的設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性、運(yùn)維可靠性密切相關(guān)。采煤機(jī)可靠性越高則開(kāi)機(jī)率越高，無(wú)故障作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)。

1942年11月，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)放射實(shí)驗(yàn)室向海軍及船舶局提議成立專門小組，開(kāi)展電子管可靠性研究，這是世界上第1個(gè)有關(guān)可靠性的技術(shù)文件。1952年8月，美國(guó)國(guó)防部成立電子設(shè)備可靠性顧問(wèn)小組(AGREE)。1955年該小組提出一份“軍用電子設(shè)備可靠性”報(bào)告，即著名的“AGREE報(bào)告”，首次提出平均無(wú)故障維修時(shí)間(MTBF)概念，成為可靠性工作指南范本[1]。

20世紀(jì)60年代初，國(guó)外開(kāi)始重視采煤機(jī)可靠性研究，英國(guó)安德森公司提出要把產(chǎn)品可靠性思想貫穿于采煤機(jī)研發(fā)過(guò)程，歸納了提高采煤機(jī)可靠性的四大任務(wù)及分工，即設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性(由制造廠負(fù)責(zé))，可靠性試驗(yàn)(廠內(nèi)試驗(yàn)由制造廠負(fù)責(zé)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由制造廠與用戶共同負(fù)責(zé))，運(yùn)維可靠性(共同負(fù)責(zé))。1974年，英國(guó)國(guó)家煤炭局(NCB)提出了先進(jìn)技術(shù)采礦計(jì)劃(Advanced Technoloy Mining，ATM)，其中明確了提高采煤機(jī)可靠性的技術(shù)途徑：對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直觀顯示極限值和運(yùn)行值；對(duì)采煤機(jī)故障進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)，使操作人員準(zhǔn)確知曉已發(fā)生和潛在的故障點(diǎn)；對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)、坐標(biāo)、速度等進(jìn)行監(jiān)控，使其具有自調(diào)節(jié)能力，保持正常運(yùn)行狀態(tài)；采用計(jì)算機(jī)對(duì)綜采工作面的設(shè)備子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制[2]。

1976年，我國(guó)開(kāi)展了采煤機(jī)可靠性試驗(yàn)，煤炭科學(xué)院上海研究所對(duì)DY-150型采煤機(jī)進(jìn)行了10項(xiàng)可靠性試驗(yàn)，包含牽引部600 h臺(tái)架壽命試驗(yàn)、牽引部20 000次壓力變化試驗(yàn)、輔助泵2 000 h壽命試驗(yàn)、截煤部600 h壽命試驗(yàn)[3]。這些系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)有效提高了DY-150采煤機(jī)可靠性，1977年山東省查莊礦使用DY-150采煤機(jī)的故障時(shí)間僅為0.84 h/萬(wàn)t，累計(jì)運(yùn)行1 650 h 過(guò)程中僅發(fā)生6次故障，事故停產(chǎn)影響率僅為0.23%，遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)煤炭部對(duì)礦井機(jī)電事故停產(chǎn)影響率1.00%的可靠性要求[4]。

1 采煤機(jī)可靠性模型

采煤機(jī)可靠性架構(gòu)如圖1所示，主要包括牽引部、截割部、電控、液壓、輔助5個(gè)子系統(tǒng)，它們組成一個(gè)復(fù)雜的串并聯(lián)可靠性模型，在系統(tǒng)中包含26個(gè)主要部件。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，大部分機(jī)械設(shè)備的無(wú)故障工作時(shí)間及故障時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，可用馬爾可夫過(guò)程來(lái)分析采煤機(jī)的可靠性指標(biāo)[5]。

1982年，前蘇聯(lián)學(xué)者Ф. П. 別達(dá)得出了采煤機(jī)可靠性與工作面生產(chǎn)狀態(tài)的影響關(guān)系，他根據(jù)烏克蘭契爾沃諾格拉德斯克煤層(厚度0.6～1.8 m)運(yùn)行的КМ-87采煤機(jī)的故障數(shù)據(jù)，得出采煤機(jī)有效度與工作面長(zhǎng)度、煤層厚度和采煤機(jī)牽引速度的回歸關(guān)系[6]：

(1)

式中：K——采煤機(jī)有效度(無(wú)故障工作時(shí)間)；

l——工作面長(zhǎng)度；

m——煤層厚度；

v——采煤機(jī)牽引速度。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)生產(chǎn)的采煤機(jī)平均開(kāi)機(jī)率只有17%，綜采設(shè)備平均使用率僅為50%，采煤機(jī)以定期預(yù)防性維修為主，約有1/3的維修工作屬于無(wú)效維修，耽誤生產(chǎn)機(jī)時(shí)較多[7]。統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)時(shí)的綜采工作面停機(jī)停產(chǎn)原因中頂板事故占20%，運(yùn)輸事故占19%，生產(chǎn)環(huán)境事故占15%，采煤機(jī)事故占11%，支架事故占8%，電氣事故占6%[8]。經(jīng)過(guò)20多年的改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的可靠性指標(biāo)逐步提高，但與國(guó)外采煤機(jī)仍有較大差距，美國(guó)的6LS-5型采煤機(jī)和國(guó)產(chǎn)的MG750/1800-3.3D型采煤機(jī)的故障和維修時(shí)間及可靠性指標(biāo)對(duì)比如表1所示[9]。

采煤機(jī)整機(jī)可靠度計(jì)算式為：

(2)

式中：Rs——采煤機(jī)整機(jī)可靠度；

λs——采煤機(jī)系統(tǒng)失效率,h-1；

λi——采煤機(jī)子系統(tǒng)失效率,h-1；

t——采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)間，h。

從表1計(jì)算可得，以失效率預(yù)測(cè)的國(guó)外采煤機(jī)運(yùn)行100、200、300、400 h的整機(jī)可靠度分別為 0.825、0.681、0.562、0.464，而國(guó)內(nèi)采煤機(jī)運(yùn)行100、200、300、400 h的整機(jī)可靠度分別為0.781、0.610、0.477、0.373。

圖1 采煤機(jī)可靠性構(gòu)架示意圖

表1 國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)可靠性指標(biāo)對(duì)比

2 采煤機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

2.1 部件可靠性設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在惡劣環(huán)境下受到?jīng)_擊、振動(dòng)、磨損、腐蝕破壞，需要預(yù)估使用中發(fā)生超負(fù)荷或誤操作時(shí)的影響后果，通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)來(lái)提高承載零件的安全性。在20世紀(jì)80年代，為了提高采煤機(jī)可靠性，國(guó)外制造商進(jìn)行了以下多項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)工作。

(1)盡量消除傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，例如傘齒輪、長(zhǎng)軸、鏈傳動(dòng)等，使各傳動(dòng)件達(dá)到等壽命設(shè)計(jì)。

(2)選用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度材料制造機(jī)箱和齒輪。

(4)各大部件之間的聯(lián)接，采用可靠牢固的防松技術(shù)，如液壓螺母或開(kāi)口螺母等。

(5)運(yùn)用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)滾筒，選擇最佳參數(shù)，如螺旋升角、螺距、截線數(shù)、截齒角度等，使采煤機(jī)在截割煤體時(shí)負(fù)荷波動(dòng)趨于平穩(wěn)，以延長(zhǎng)采煤機(jī)壽命。

(6)改進(jìn)截齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高截齒耐磨性；改善噴霧系統(tǒng)，延長(zhǎng)截齒壽命，減少更換時(shí)間。

(7)搖臂的內(nèi)軸承結(jié)構(gòu)改為外軸承，以降低支承負(fù)荷，降低機(jī)器振動(dòng)，延長(zhǎng)軸承壽命。

(8)改善機(jī)器的保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)，增設(shè)故障診斷系統(tǒng)，便于故障查尋及處理。

(9)各大部件采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，裝卸更換互不干擾，便于井下故障的快速處理。

法院認(rèn)定，公司在與成銳協(xié)商調(diào)整工作崗位時(shí)大幅調(diào)低成銳的月工資標(biāo)準(zhǔn)的行為顯失公平，其以雙方未就上述工作崗位調(diào)整方案達(dá)成一致為由解除雙方勞動(dòng)關(guān)系不符合法律規(guī)定，公司應(yīng)向成銳支付違法解除勞動(dòng)合同賠償金。對(duì)成銳的相關(guān)訴訟請(qǐng)求，法院予以支持。

(10)完善質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)，加強(qiáng)制造檢驗(yàn)技術(shù)。

經(jīng)過(guò)可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)，到20世紀(jì)80年代末，美國(guó)煤礦的采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率為75%～90%；澳大利亞煤礦的采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率為36%，在較好條件下可達(dá)62%左右；英國(guó)和德國(guó)煤礦的采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率分別為35%和39%[10]。

2.2 摩擦可靠性設(shè)計(jì)

所謂摩擦學(xué)設(shè)計(jì)， 是在機(jī)械設(shè)計(jì)中充分利用摩擦學(xué)的知識(shí)、 成果和技術(shù)， 旨在使所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置能夠達(dá)到較長(zhǎng)的耐磨損壽命，其基本內(nèi)容包括潤(rùn)滑設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 材料選用和表層設(shè)計(jì)[11]。因此，采煤機(jī)設(shè)計(jì)不僅需要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、 強(qiáng)度設(shè)計(jì)、 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等方面， 而且要考慮摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)零部件之間的結(jié)合部位較多，如螺栓連接、鍵連接、齒輪結(jié)合、導(dǎo)軌接觸、軸承接觸、密封接觸等，這些結(jié)合部位的摩擦失效率都比較高，由于摩擦學(xué)設(shè)計(jì)不當(dāng)所引發(fā)的采煤機(jī)傳動(dòng)故障約為70%，還會(huì)誘發(fā)其他次生故障，因此應(yīng)加強(qiáng)采煤機(jī)傳動(dòng)部件的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，這是國(guó)內(nèi)采煤機(jī)設(shè)計(jì)工作的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 結(jié)構(gòu)冗余性設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品中用多個(gè)單元代替一個(gè)單元使用，從而提高機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。為了便于維修和保養(yǎng)，冗余設(shè)計(jì)大多采用相同單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)、串并聯(lián)系統(tǒng)或并串聯(lián)系統(tǒng)。采煤機(jī)結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)是對(duì)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)備用機(jī)構(gòu)，當(dāng)某個(gè)部件出現(xiàn)故障時(shí)，備用機(jī)構(gòu)能夠繼續(xù)工作，但功率或承載能力會(huì)有所降低。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是為確保采煤機(jī)在井下惡劣環(huán)境可靠運(yùn)行而采取的設(shè)計(jì)和工藝措施，包括降低環(huán)境影響的措施和提高裝備自身抵抗環(huán)境作用能力的措施。隨著采煤機(jī)自動(dòng)化、智能化程度提高，機(jī)載電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)更為重要，主要包括3個(gè)方面任務(wù)。

(1)耐氣候環(huán)境設(shè)計(jì)。針對(duì)高溫、低溫、濕熱、鹽霧等環(huán)境條件的影響，在熱源與熱沉之間提供一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去。

(2)耐機(jī)械環(huán)境設(shè)計(jì)。針對(duì)設(shè)備振動(dòng)與沖擊的影響，耐機(jī)械環(huán)境設(shè)計(jì)的一般方法有減振、加固、去諧、去耦、阻尼、小型化及剛性化，其中的減振和加固設(shè)計(jì)是有效方法。

(3)耐電磁環(huán)境設(shè)計(jì)。主要是設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)，以保證采煤機(jī)的電子器件、設(shè)備或系統(tǒng)在工作面電磁環(huán)境中良好運(yùn)行，主要設(shè)計(jì)措施包括限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力[12]。

2.5 功能模塊化設(shè)計(jì)

模塊化部件是一個(gè)具有特定功能且具有通用性的組件，通過(guò)組合各種模塊化部件，即可構(gòu)成新型號(hào)采煤機(jī)，生產(chǎn)出不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。這些模塊化部件是經(jīng)過(guò)可靠性驗(yàn)證的成熟零部件，不但能縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本，而且可提高采煤機(jī)的質(zhì)量和可靠性。美國(guó)久益公司生產(chǎn)的1LS型采煤機(jī)采用了模塊化多電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括2個(gè)牽引部、1個(gè)電控箱、2個(gè)截割部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其優(yōu)點(diǎn)是留有最大的過(guò)煤空間，模塊化拆裝也便于井下運(yùn)輸，不僅改善了采煤機(jī)可維修性，而且可以適應(yīng)各種輸送機(jī)和支架尺寸。

2.6 安全保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

高可靠性采煤機(jī)必須具備必要的安全裝置，以防止超載、超速、超壓、誤操作、誤接觸、環(huán)境突變(如瓦斯超量、停電等)引起的事故及事故擴(kuò)大。采煤機(jī)必須設(shè)計(jì)必要的保護(hù)裝置，具有漏電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、缺相、三相不平衡、油壓、油位等保護(hù)功能，除了保護(hù)措施之外，還通過(guò)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警或自動(dòng)停機(jī)。

3 采煤機(jī)可靠性增強(qiáng)

3.1 結(jié)構(gòu)可靠性增強(qiáng)

1954年，英國(guó)安德森公司推出AB15- SE70安德頓型采煤機(jī)，采用底部托架結(jié)構(gòu)，把所有部件固定其上，加強(qiáng)了采煤機(jī)整體剛性，提高了與刮板輸送機(jī)的配合性；1963年，安德森公司推出的AB10/12-SE單滾筒采煤機(jī)設(shè)計(jì)了可調(diào)斜底托架，以提高傾斜煤層截割的適應(yīng)性，分為橫向調(diào)斜和縱向調(diào)斜2種底托架，如圖2所示，這種機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉸接點(diǎn)多，截割硬煤時(shí)的整機(jī)振動(dòng)大， 機(jī)身下面的液壓管路維護(hù)困難；1972年，安德森公司推出了AM500-DERDS型雙滾筒采煤機(jī)，采用整體式固定底托架機(jī)身結(jié)構(gòu)，增大采煤機(jī)的整體剛度和連接強(qiáng)度；1975年，久益公司研制出1LS型電牽引采煤機(jī)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了框式底托架，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各部件以插件形式裝入框式底托架，不僅增強(qiáng)了整體剛性而且方便維修或部件更換；1975年，德國(guó)艾柯夫公司推出EDW-380-L型采煤機(jī)，設(shè)計(jì)了無(wú)底托架的機(jī)身結(jié)構(gòu)，采用液壓鎖緊螺栓將分體機(jī)箱連為一體，不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，便于采煤機(jī)拆卸和運(yùn)輸，還增大了機(jī)身底部的過(guò)煤空間；1984年，安德森公司的Electra 550型電牽引采煤機(jī)首創(chuàng)了整體焊接的箱式機(jī)身，分成幾個(gè)間隔來(lái)安裝電控部、牽引部及液壓泵站，它們可以很方便地嵌入和拆出，整體機(jī)身無(wú)對(duì)接螺栓，無(wú)底托架，具有強(qiáng)度大、剛性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)[13]。

圖2 可調(diào)斜底托架的AB10/12-SE采煤機(jī)

3.2 牽引可靠性增強(qiáng)

1971年，安德森公司創(chuàng)制了Rack-a-rack型齒軌無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，解決了重載采煤機(jī)安全牽引難題，采用電牽引技術(shù)取代液壓牽引，是采煤機(jī)牽引可靠性技術(shù)的變革[14-15]。久益公司的1LS型采煤機(jī)采用了類似于Rack-a-track的無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，滾輪與齒條嚙合推動(dòng)采煤機(jī)行進(jìn)，依靠固裝在機(jī)身下方導(dǎo)向滑靴來(lái)保持采煤機(jī)穩(wěn)定，以更適應(yīng)底板的起伏。采煤機(jī)的滑靴跨騎在刮板輸送機(jī)溜槽兩側(cè)的鏟板和擋板上，煤壁側(cè)的2個(gè)支撐滑靴落在特制的鏟板上，采空側(cè)除在牽引滾輪下面裝設(shè)的導(dǎo)向滑靴外，在機(jī)身兩端還有2個(gè)滾輪式滑靴在擋板上滾動(dòng)[16]。

隨著采煤機(jī)向強(qiáng)力截割、快速牽引方向發(fā)展，傳統(tǒng)的單一牽引部驅(qū)動(dòng)變?yōu)槎鄠€(gè)牽引部并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的布置方式，經(jīng)過(guò)了以下4個(gè)布置形式的發(fā)展階段。

(1)順列式布置。1958年，德國(guó)艾柯夫公司制造出W-SE Ⅳ型固定單滾筒采煤機(jī)，中部1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的截割部和牽引部，如圖3所示，這種布局形式組成一個(gè)電機(jī)、減速器、行走機(jī)構(gòu)的串聯(lián)傳動(dòng)鏈，傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，故障率較高，機(jī)身較長(zhǎng)。

(2)重疊式布置。1971年，法國(guó)沙吉姆公司制造出DTS-300型雙滾筒采煤機(jī)，這種采煤機(jī)沒(méi)有專門的搖臂，電機(jī)、減速箱和滾筒連為一體，牽引部與截割部重疊布置，靠液壓裝置驅(qū)動(dòng)一同升降提高，使采煤機(jī)機(jī)身大為縮短，如圖4所示。1986年，英國(guó)杰弗里·戴蒙德(BJD)公司生產(chǎn)的ACE緊湊型采煤機(jī)、1987年西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的MXP240型采煤機(jī)也是這種布局形式。

(3)分離式布置。1972年，安德森公司研發(fā)出AM500型采煤機(jī)，牽引部設(shè)置在采煤機(jī)的底托架上，與機(jī)身分置在2個(gè)不同高度，根據(jù)需要可以設(shè)置2～4個(gè)牽引部，共同實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)卡扣牽引，這種布置方式不僅受機(jī)身長(zhǎng)度影響小，而且牽引力可成倍增加。

(4)一體式布置。1979年，安德森公司研制出AM-420型爬底板薄煤層采煤機(jī)，牽引部在截割部端頭，與搖臂重疊布置，把牽引部和截割部合為一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，成為新型縱向采煤機(jī)的基本模式，其優(yōu)點(diǎn)是牽引、截割部件合二為一，減少部件聯(lián)接對(duì)口數(shù)，縮短機(jī)身縱向尺寸， 減少端頭截割作業(yè)，這對(duì)薄煤層采煤機(jī)尤為重要；簡(jiǎn)化了原來(lái)通過(guò)牽引部傳遞電機(jī)全功率過(guò)軸及齒輪裝置，提高傳動(dòng)效率；將截割傳動(dòng)齒輪裝置放在部件機(jī)殼內(nèi)的靠煤壁側(cè)，牽引機(jī)構(gòu)放在靠采空側(cè)，空間利用更加合理。

圖3 艾柯夫公司的W-SE Ⅳ型單滾筒采煤機(jī)

圖4 法國(guó)沙吉姆公司的DTS-300型采煤機(jī)

3.3 驅(qū)動(dòng)可靠性增強(qiáng)

自采煤機(jī)誕生之后，很長(zhǎng)時(shí)間都是采用單電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)截割部和牽引部，隨著采煤機(jī)功率和生產(chǎn)能力不斷增大，這種單驅(qū)動(dòng)存在的可靠性弱點(diǎn)日益明顯。自20世紀(jì)70年代中期，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的采煤機(jī)，體現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的可靠性理念，使采煤機(jī)結(jié)構(gòu)布局靈活，可靠性和適應(yīng)性顯著增強(qiáng)，為大功率采煤機(jī)研發(fā)開(kāi)辟了新的途徑。采煤機(jī)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要有6種形式[17]，如圖5所示。

圖5 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的布置形式

(1)多轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)電機(jī)在一個(gè)箱殼內(nèi)安置了雙轉(zhuǎn)子、定子副，形成一箱體兩電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，有串聯(lián)和并聯(lián)2種形式。串聯(lián)是雙轉(zhuǎn)子串在同一電機(jī)主軸上，同軸輸出扭矩；并聯(lián)是2個(gè)轉(zhuǎn)子在2個(gè)平行的軸上，雙軸輸出扭矩。1987年，日本生產(chǎn)的DR7575薄煤層采煤機(jī)就采用了并聯(lián)雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小，單位體積功率容量大，DR7575采煤機(jī)的電機(jī)功率為300 kW，單位體積功率容量達(dá)到0.48 W/cm3，比普通采煤機(jī)的矩形電機(jī)高出1/3左右。

(2)縱向雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)將采煤機(jī)主要部件設(shè)計(jì)成積木式連接，在機(jī)身上加一臺(tái)相同的電機(jī)，就能使采煤機(jī)功率增大一倍。這是目前多電機(jī)采煤機(jī)中最主要的結(jié)構(gòu)形式。世界上最大功率的采煤機(jī)ASTRO-100采用2臺(tái)500 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng),2個(gè)電機(jī)可以單纜雙電機(jī)供電，也可雙纜雙電機(jī)供電。這種總體布局的主要優(yōu)點(diǎn)是保持了原有采煤機(jī)的大多數(shù)部件和主要性能特點(diǎn),可以由原來(lái)單電機(jī)采煤機(jī)改裝，只需延長(zhǎng)底托架、增加中間箱等輔助部件就可以實(shí)現(xiàn)。雞西煤機(jī)廠在MLS-170的基礎(chǔ)上生產(chǎn)了我國(guó)第1臺(tái)340 kW大功率采煤機(jī)，在使用中曾取得了很好的效果?？v向雙電機(jī)布置的缺點(diǎn)是采煤機(jī)雙滾筒旋轉(zhuǎn)中心距過(guò)長(zhǎng)，頂板暴露面積大，因此在某些條件下限制了它的適應(yīng)性。

(3)橫向雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)把雙電機(jī)在采煤機(jī)上橫向擺放，明顯地縮短了機(jī)身長(zhǎng)度，而且還取消了截割部的錐齒輪傳動(dòng)這個(gè)最薄弱環(huán)節(jié)，提高了機(jī)械傳動(dòng)的可靠性。1980年，蘇聯(lián)K-103采煤機(jī)采用了橫向雙電機(jī)布置，2個(gè)電機(jī)滾筒并聯(lián)承擔(dān)截割動(dòng)力，如果有一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障，另一臺(tái)電機(jī)仍能驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾筒，在降低牽引速度情況下繼續(xù)割煤。橫向雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身短，K-103采煤機(jī)外形總長(zhǎng)僅4 m多，比普通雙滾筒采煤機(jī)幾乎短了一半。1997年，遼源煤機(jī)廠生產(chǎn)的仿制1K-103型采煤機(jī)也采用了橫向雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(4)外置雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)把截割電機(jī)從傳統(tǒng)的采煤機(jī)機(jī)身中間位置上移到機(jī)身的兩端頭，蘇聯(lián)的КЩЭ型大功率電牽引采煤機(jī)采用了這種驅(qū)動(dòng)方式，截割減速箱和牽引減速箱合并在一個(gè)箱體內(nèi)，并與電器控制箱、牽引電機(jī)等部件組成一個(gè)主機(jī)身。截割電機(jī)懸掛在主機(jī)身外端，L型側(cè)置式搖臂從減速箱伸出。КЩЭ型采煤機(jī)雙滾筒旋轉(zhuǎn)中心距比傳統(tǒng)電機(jī)布局的采煤機(jī)縮短了3 m以上。

(5)搖臂內(nèi)置電機(jī)及減速箱驅(qū)動(dòng)。1971年法國(guó)通用電氣公司(SAGEM)的DTS300型采煤機(jī)和1987年我國(guó)西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的MXP240型采煤機(jī)均采用了將截割電機(jī)與減速箱置于搖臂的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)采煤機(jī)調(diào)高時(shí)，電機(jī)和減速箱一同擺動(dòng)，使截割部結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)型的雙滾筒旋轉(zhuǎn)中心距短，搖臂長(zhǎng)，采高范圍大，機(jī)身更窄， 增強(qiáng)了采煤機(jī)對(duì)回采工作面頂板條件的適應(yīng)性。但其弱點(diǎn)是電機(jī)與減速箱組成的搖臂較寬，裝煤效果不如普通式窄搖臂。此外，采煤機(jī)重心偏高，對(duì)采煤機(jī)穩(wěn)定性不利。

(6)多電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)。采煤機(jī)截割、行走、液壓系統(tǒng)分別使用各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，形成高可靠性的分布式驅(qū)動(dòng)模式。1975年，久益公司推出了1LS型采煤機(jī)，它是世界上第1臺(tái)多電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)，這是采煤機(jī)型設(shè)計(jì)的重要進(jìn)步，打破了單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)，這一變革為采煤機(jī)帶來(lái)了前所未有的可靠性和可維護(hù)性。這種采煤機(jī)的截割電機(jī)位于搖臂根部，省略了固定減速箱，搖臂可以直接鉸接在機(jī)身上，使得電機(jī)軸線與滾筒軸線平行，無(wú)需錐齒輪改向傳動(dòng)，由此簡(jiǎn)化了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)，減少了薄弱環(huán)節(jié)和故障多發(fā)點(diǎn)，獲得了簡(jiǎn)單可靠的傳動(dòng)系統(tǒng)，克服了大功率采煤機(jī)機(jī)身過(guò)長(zhǎng)及偏大的缺點(diǎn)[13]。

采煤機(jī)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)有益于充分發(fā)揮各自功率，降低總裝機(jī)功率。安德森公司曾對(duì)單電機(jī)的AS600型采煤機(jī)與多電機(jī)的Electra550型采煤機(jī)進(jìn)行了負(fù)荷測(cè)定及對(duì)比，多電機(jī)采煤機(jī)裝機(jī)功率高于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)，但實(shí)際消耗功率僅為裝機(jī)功率的70%，能更好地保證動(dòng)力可靠性。

3.4 供電可靠性增強(qiáng)

3.4.1提高工作面供電電壓

20世紀(jì)60年代之前，國(guó)外的采煤工作面供電一般為550 V左右的低電壓等級(jí)，隨著機(jī)械化采煤裝備功率增大，英國(guó)最早開(kāi)展了采區(qū)中壓供電研究。1961年，英國(guó)國(guó)家煤炭局決定把采區(qū)電壓從550 V升至1 100 V的中等級(jí)電壓，1963年開(kāi)始試驗(yàn)，1967年列為井下標(biāo)準(zhǔn)電壓，到1971年英國(guó)800個(gè)綜采工作面中約有170個(gè)工作面采用1 100 V供電；1963年，法國(guó)和德國(guó)都進(jìn)行井下1 000 V供電試驗(yàn)，1964年德國(guó)將其列為標(biāo)準(zhǔn)電壓，1965年法國(guó)開(kāi)始推廣1 000 V供電技術(shù)；1964年，美國(guó)開(kāi)始研制井下使用的950 V電動(dòng)機(jī)；1970年，澳大利亞井下采煤機(jī)采用950 V供電電壓；1986年，久益公司制造出1 000 V供電的4LS型采煤機(jī)，裝機(jī)功率為514 kW。

1977年，南非在世界上率先采用了3.3 kV高壓供電采煤機(jī)，在薩索爾(Sasol)煤炭公司的塞昆達(dá)(Secunda)煤礦使用了4臺(tái)3.3 kV連續(xù)采煤機(jī)；1980年該礦又運(yùn)行了3.3 kV供電的AM500采煤機(jī)，到1983年投產(chǎn)7個(gè)3.3 kV綜采工作面。1985年，澳大利亞尤蘭(Ulan)煤礦綜采工作面運(yùn)行了3.3 kV供電的AM500采煤機(jī)，到1989年底，澳大利亞有7個(gè)綜采工作面采用3.3 kV供電，占當(dāng)時(shí)該國(guó)綜采工作面總數(shù)的36%。1989年，英國(guó)在凱林萊(Kelling Ley)煤礦WV33號(hào)工作面試運(yùn)行3.3 kV供電的Electra1000型采煤機(jī)[18]；1992年7月，哈沃斯(Harworth)煤礦11號(hào)工作面是英國(guó)第1個(gè)正式運(yùn)行的3.3 kV綜采工作面，綜采機(jī)械可靠度達(dá)97.32%，電氣故障率為1.45%，機(jī)械故障率為1.23%[19]。

1989年7月，久益公司生產(chǎn)出2.3 kV供電的4LS3采煤機(jī)，在肯塔基的狼溪礦使用，這次技術(shù)改進(jìn)被認(rèn)為是久益公司采煤機(jī)功率爆發(fā)式增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；1990年，該公司生產(chǎn)出2.3 kV供電的3LS4型采煤機(jī)；1993年，波蘭切喬特(Czeczott)煤礦使用3.3 kV供電4LS5型采煤機(jī)、南非新丹麥礦使用3.3 kV供電4LS6型采煤機(jī)，這些高電壓采煤機(jī)的可靠性顯著提高，工作時(shí)間利用率都在97%以上[20]；1993年，久益公司生產(chǎn)出4.16 kV供電的4LS6型采煤機(jī)，在肯色城堡煤礦運(yùn)行。到1994年底，美國(guó)煤礦81個(gè)綜采面有61%使用高電壓供電，單臺(tái)電機(jī)功率大于300 kW或總功率大于450 kW的采煤機(jī)均采用高壓供電方式[21]。

1983年7月，法國(guó)普羅旺斯(Provence)煤礦和拉烏弗(Lahonve)煤礦試運(yùn)行了5 kV的工作面刮板輸送機(jī)，是當(dāng)時(shí)煤礦井下工作面設(shè)備的最高供電等級(jí)；同年，法國(guó)普羅旺斯煤礦采用5 kV供電的熊貓(Panda)型采煤機(jī)，聯(lián)邦德國(guó)在薩爾礦區(qū)采用5 kV供電的EDW-450-L和EDW-380-L采煤機(jī)；1995年，波蘭扎梅特(ZAMET)機(jī)械廠和柯瑪格(KOMAG)采礦機(jī)械化中心研制出6 kV供電的KSE-1000型長(zhǎng)壁采煤機(jī)，1995年6月在波蘭南部的齊莫維特(Ziemowit)煤礦下井生產(chǎn)，開(kāi)采了3個(gè)長(zhǎng)壁工作面[13, 22]。

在我國(guó)，20世紀(jì)50年代的炮采工作面裝機(jī)容量低于300 kW，低壓供電380 V等級(jí)即能滿足負(fù)荷需要。1957年，我國(guó)開(kāi)始探索采區(qū)660 V供電技術(shù)，在大同礦務(wù)局進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，1964年開(kāi)始推廣660 V采區(qū)供電。到20世紀(jì)70年代初，全國(guó)煤礦已有1 000多個(gè)工作面(約占總數(shù)的50%)實(shí)現(xiàn)了660 V電壓供電。1972年，我國(guó)開(kāi)始研究煤礦井下千伏級(jí)供電技術(shù)，1975-1979年研制出千伏級(jí)煤礦井下采區(qū)成套電氣設(shè)備，在大同同家梁煤礦和開(kāi)灤唐山煤礦分別進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)[23]。1991年，原能源部在北京召開(kāi)技術(shù)討論會(huì)，確定可將我國(guó)高產(chǎn)高效工作面供電電壓升至3.3 kV[24]。1992年，晉城礦務(wù)局古書院煤礦綜采工作面采用3.3 kV供電系統(tǒng)，電氣設(shè)備由德國(guó)西門子公司和英國(guó)布拉什公司聯(lián)合生產(chǎn)；1998年，煤炭科學(xué)研究總院上海分院與多家煤機(jī)廠聯(lián)合制造出我國(guó)第1套3.3 kV綜采供電設(shè)備，在晉城礦務(wù)局古書院煤礦12308工作面的MXB-930型直流電牽引采煤機(jī)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)[25]；1996年，太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司研發(fā)出我國(guó)第1臺(tái)3.3 kV供電的MGTY400/900-3.3D大功率電牽引采煤機(jī)，在充礦集團(tuán)公司南屯煤礦和大同礦務(wù)局馬脊梁煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)；1999年，煤炭科學(xué)研究總院上海分院生產(chǎn)出3.3 kV的MG450/1020-WD型采煤機(jī)，裝機(jī)功率是當(dāng)時(shí)最大的1020 kW。到2010年，我國(guó)大部分高產(chǎn)高效綜采工作面采用了3.3 kV供電系統(tǒng)，但還沒(méi)有6 kV供電的井下綜采設(shè)備運(yùn)行實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)。

3.4.2提高入井供電電壓

為了簡(jiǎn)化礦井供電系統(tǒng)，提高供電可靠性，國(guó)內(nèi)外煤礦入井電壓提高到10 kV等級(jí)。1979年，聯(lián)邦德國(guó)在奧斯特菲爾登(Ostfildern)煤礦進(jìn)行10 kV直接下井供電試驗(yàn)；1980年，英國(guó)開(kāi)始井下10 kV供電試驗(yàn)，1986年在恰頓(Chartham)煤礦又進(jìn)行了試驗(yàn)；1990年左右，澳大利亞煤礦引進(jìn)英國(guó)11 kV供電設(shè)備在井下供電[26]。

1971年，我國(guó)在河南省焦作市焦東礦進(jìn)行了井下10 kV供電試驗(yàn)，1974年在湖北寶源礦中平硐運(yùn)行，1985年在河南省洛陽(yáng)市偃師縣焦村煤礦運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，1987年我國(guó)研制出10 kV級(jí)煤礦電氣設(shè)備，在寶源礦中平硐使用多年。從2010年起，我國(guó)高產(chǎn)高效工作面大多采用10 kV電壓直接入井供電，顯著提高供電能力和供電可靠性[27-28]。近年來(lái)，我國(guó)采煤工作面為了實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采和節(jié)能降耗，采用入井電壓10 kV、工作面電壓3.3 kV的遠(yuǎn)距離供電方式，如山東能源集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)煤礦綜放工作面采用2.1 km超遠(yuǎn)距離高壓供電[29-30]。

4 采煤機(jī)材料可靠性

采煤機(jī)的截割、行走、傳動(dòng)等部件須用結(jié)構(gòu)材料制造而成，以其優(yōu)異的力學(xué)性能來(lái)承擔(dān)截割煤巖、機(jī)器行進(jìn)、重載傳遞過(guò)程中的載荷、變形及振動(dòng)。在采煤機(jī)運(yùn)行中，影響可靠性的材料失效模式主要是磨損和斷裂，集中于截割部和牽引部的齒輪、行走輪、滑靴、截齒、搖臂、滾筒、密封等關(guān)鍵零件，其材料可靠性至關(guān)重要。

4.1 齒輪材料可靠性

1964年，艾柯夫公司生產(chǎn)的EDW-170-L型采煤機(jī)的齒輪采用17CrNiMo6、15CrNi6合金鋼[31]；1972年，安德森公司生產(chǎn)的AM-500型采煤機(jī)搖臂行星齒輪采用En36B、En39B鉻鉬氮化鋼制造，齒輪經(jīng)滲碳、淬火處理，齒面硬度約60 HRC，齒芯硬度41～44 HRC，以額定功率計(jì)算的當(dāng)量壽命為12 500 h[32]；1976年，久益公司生產(chǎn)的1LS、2LS型采煤機(jī)的傳動(dòng)齒輪采用SAE9310、SAE8620鎳鉬鋼，表面滲碳淬火深度0.8～1.5 mm，硬度可達(dá)58～62 HRC，采煤機(jī)齒輪的設(shè)計(jì)壽命可達(dá)600萬(wàn)t采煤量[16, 33]；1980年，日本生產(chǎn)的MCLE350-DR6565型采煤機(jī)的齒輪用SCM24合金鋼制造。

1982年，我國(guó)試制DY-150型采煤機(jī)時(shí)，重載齒輪使用30CrMnTi合金鋼，后來(lái)生產(chǎn)的DY-150型采煤機(jī)和MXA-300型采煤機(jī)齒輪選用18Cr2Ni4WA合金鋼，采用復(fù)合等溫淬火，齒輪芯部硬度調(diào)整到強(qiáng)度韌性均理想的40 HRC左右[34]。之后的采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，高速級(jí)齒輪多選用20Cr2MnTi或30CrMnTi合金鋼制造，低速級(jí)齒輪選用18Cr2Ni4WA或18Cr2Ni4MoA合金鋼制造，通過(guò)滲碳淬火熱處理， 硬度可達(dá)58～62 HRC。MGT375/750型采煤機(jī)牽引箱的齒輪設(shè)計(jì)壽命為7 000 h，軸承設(shè)計(jì)壽命為10 000 h。

4.2 行走輪材料可靠性

自從1958年艾柯夫公司首次設(shè)計(jì)Eicotrak無(wú)鏈牽引系統(tǒng)并用于SWE670型滾筒采煤機(jī)之后，齒輪(行走輪)與刮板輸送機(jī)齒排嚙合的牽引方式已成為當(dāng)今電牽引采煤機(jī)普遍采用的行走機(jī)構(gòu)。

20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)生產(chǎn)的電牽引采煤機(jī)的行走輪采用18Cr2Ni4WA合金鋼制造，最終熱處理為滲碳淬火，最大牽引力只有250 kN，經(jīng)常發(fā)生斷齒故障。目前，行走輪材料改為18Cr2Ni4WE電渣重熔鋼，并增大齒面滲碳層厚度，這種鋼材可提高疲勞壽命 6 倍，提高彎曲疲勞壽命20%，提高沖擊韌性1倍[35]。

最初刮板輸送機(jī)銷排類型分為125、147 mm節(jié)距，行走輪齒廓分為內(nèi)外擺線形和漸開(kāi)線形。內(nèi)外擺線齒廓行走輪一般與125 mm節(jié)距銷排配合使用，漸開(kāi)線齒廓行走輪通常與147 mm以上的大節(jié)距行走輪匹配。2012年，寧夏天地奔牛公司研發(fā)出172、176 mm大節(jié)距采煤機(jī)無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，銷排承載牽引力達(dá)到1 500 kN，實(shí)現(xiàn)了200萬(wàn)t采煤量無(wú)故障運(yùn)行[36-37]。國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)的典型行走輪參數(shù)如表2所列，國(guó)外的行走輪體現(xiàn)出很強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)化，具有通用性和互換性，因此現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性較高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，天地科技股份公司上海分公司提出了國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)行走輪標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)，如表2所示，以一個(gè)模數(shù)m=54.75 mm的行走輪，適配兩種齒形的牽引輪，嚙合3類5種節(jié)距的銷排[38]。

表2 國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)行走輪參數(shù)

4.3 滑靴材料可靠性

滑靴對(duì)采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上滑行起到支撐和導(dǎo)向作用，分為平滑靴和導(dǎo)向滑靴。如果導(dǎo)向面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)向精度會(huì)變差，行走輪與銷排嚙合失常，造成行走輪快速磨損或斷齒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)采煤機(jī)脫軌傾翻事故。德國(guó)艾柯夫采煤機(jī)的導(dǎo)向滑靴材料是GS42CrMo4超低碳合金鋼，布氏硬度可達(dá)245 HBW，沖擊韌性達(dá)到127 J/cm2；美國(guó)久益采煤機(jī)的平滑靴材料為ASTMA514碳素鋼，滑靴的大修周期超過(guò)300萬(wàn)t過(guò)煤量[39]。國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的導(dǎo)向滑靴材料常用ZG25CrNiMo、ZG35CrMnSi鑄造合金鋼，大修周期為100～150萬(wàn)t過(guò)煤量。目前，國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)平滑靴主要采用鍛造成型，使用42CrMo、18Cr2Ni4W、20CrNiMo合金鋼。

為了提高耐磨性，國(guó)內(nèi)外廠家通常在滑靴導(dǎo)向面上堆焊耐磨層。天地科技股份公司上海分公司的導(dǎo)向滑靴常用ZG35CrMnSi、ZG42CrMo材料，堆焊材料是DG09氣保焊絲。西安煤礦機(jī)械公司的導(dǎo)向滑靴材料為ZG35CrMoV，采用德國(guó)進(jìn)口卡斯特林XHD646焊條先在導(dǎo)向面上先打底焊，之后再用卡斯特林EnDOtecDO15焊絲堆焊耐磨層[40]。2010年，雞西煤礦機(jī)械有限公司在滑靴導(dǎo)向面焊接SA1750CR碳化鉻耐磨復(fù)合板，耐磨層厚度為4 mm，硬度提高到55～62 HRC。滑靴在井下采煤機(jī)連續(xù)使用6個(gè)月后，導(dǎo)向面僅有輕微磨損，展示了優(yōu)良的耐磨性能。2011年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采用等離子熔覆技術(shù)，在調(diào)質(zhì) 45 鋼基材表面熔覆Cr6MnV 鐵基合金耐磨層，提高了熔覆層的強(qiáng)度、硬度和韌性，增加了滑靴承載能力，熔覆層厚度約為 3 mm。表面維氏硬度平均值可達(dá) 584 HV0.5，洛氏硬度達(dá)到 54.6 HRC，熔覆層在承擔(dān)重載時(shí)處于較低摩擦系數(shù)，降低了磨損量[41]。2014年，三一重型裝備有限公司研制出超低碳合金鋼鑄造滑靴材料，其化學(xué)成分為C 0.069 0%、Mo 0.360 0%、Si 0.510 0%、Mn 1.520 0%、B 0.002 6%、La 0.010 0%、P 0.008 0%、S 0.008 0%，熱處理工藝為930 ℃×40 min水冷+650 ℃×2 h回火，調(diào)質(zhì)后的硬度達(dá)到布氏硬度196 HBW，沖擊韌性為130 J/cm2[42]。2015年，天地科技股份公司上海分公司與山東科技大學(xué)合作研制出CrNiMo低碳合金鋼基體熔覆Fe-Cr-Mn鐵基合金粉末的耐磨滑靴，用于MG900/2400-WD采煤機(jī)，在神木涼水井礦42111綜采工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，采煤量達(dá)到350萬(wàn)t時(shí)，磨損量仍未超限(規(guī)定值為5 mm)。

4.4 截齒材料可靠性

截齒是采煤機(jī)“啃”硬石頭的“牙齒”，必須具有強(qiáng)硬和耐磨的材料性能。采煤機(jī)截齒材料從18世紀(jì)中期的碳素工具鋼，到19世紀(jì)末期的合金工具鋼，之后發(fā)展為20世紀(jì)30年代制造出第1代耐磨截齒的硬質(zhì)合金材料(包括WC-Co合金，WC-TiC-Co合金，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金，鋼結(jié)硬質(zhì)合金，碳化鈦基合金等)；第2代復(fù)合耐磨截齒采用超硬材料，制造方法分為鍍膜型、燒結(jié)型、焊接型(堆焊、釬焊、激光熔覆、等離子熔覆)等，采煤機(jī)應(yīng)用最多的是焊接型復(fù)合截齒；目前，發(fā)展到第3代截齒的聚晶超硬材料，齒頭用聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼材料制造。有關(guān)截齒材料的詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn)[43]。

4.5 搖臂材料可靠性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%以上的采煤機(jī)搖臂故障是殼體強(qiáng)度不足和變形引起的，因此必須提高搖臂殼體材料強(qiáng)度及可靠性。德國(guó)艾柯夫公司制造的SL500采煤機(jī)搖臂殼體材料是GS-22Mo4鑄鋼。國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的搖臂殼體材料主要是ZG270-500、ZG25Mn或ZG25MnNi碳素鋼或合金鋼，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度難以滿足大功率采煤機(jī)高強(qiáng)度搖臂要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度搖臂殼體新鋼材。2009年，三一重裝集團(tuán)的采煤機(jī)以ZG25Mn2-Ⅱ合金鋼鑄造搖臂殼體，元素含量占比為C 0.270%～0.340%，Si 0.300%～0.500%，Mn 1.200%～1.500%，S<0.300%，P<0.035%，Cr<0.035%，布氏硬度達(dá)到177 HBW。2013年，天地科技股份公司上海分公司生產(chǎn)的MG750/1800-WD型采煤機(jī)鑄造搖臂材料是ZG25SiMn2Mo，2007年出產(chǎn)的MG500-1180-WD系列采煤機(jī)搖臂材質(zhì)為ZG310-570，抗拉強(qiáng)度b>310 MPa，屈服強(qiáng)度s>570 MPa。2013年，天地科技股份公司上海分公司研發(fā)出新型CrNiMo系調(diào)質(zhì)鋼，添加元素含量占比為C 0.37%～0.44%，Cr 0.60%～0.90%，Ni 1.25%～1.65%，Mo 0.15%～0.25%，高強(qiáng)度搖臂加工工藝包括鑄造、空淬和高溫回火、粗加工、去應(yīng)力回火、精加工[44]。2015年，神華集團(tuán)神東公司和中傳重型裝備有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)無(wú)行星齒輪傳動(dòng)的全直齒五級(jí)齒輪傳動(dòng)搖臂，采用Q690高強(qiáng)板焊接結(jié)構(gòu)殼體，電機(jī)筒、輸出軸筒為中低碳合金鑄鋼件，與其他Q690高強(qiáng)板組合焊接制成高強(qiáng)度搖臂，該搖臂安裝在引進(jìn)的艾柯夫SL1000型采煤機(jī)上，累計(jì)生產(chǎn)原煤超過(guò)600萬(wàn)t，故障率比原國(guó)外搖臂降低了20%，維護(hù)時(shí)間縮短了約30%[45]。據(jù)測(cè)算，焊接搖臂比鑄造搖臂的成本降低約25%。國(guó)內(nèi)外代表性的采煤機(jī)搖臂力學(xué)性能如表3所示[46]。

4.6 滾筒材料可靠性

為了滿足采煤機(jī)高截割性、高可靠性和高智能性的要求，滾筒結(jié)構(gòu)材料性能要求也越來(lái)越高。目前，國(guó)內(nèi)采煤機(jī)滾筒的齒座材料主要用35CrMnSiA、20CrNiMo、42CrMo和ZG40Cr鋼，螺旋葉板、端盤板材料有ZG270-500、Q235、16Mn鋼。通過(guò)這些材料的力學(xué)性能對(duì)比，最適合的齒座材料為35CrMnSiA鋼，螺旋葉板與端盤板材料為16Mn鋼[47]。

表3 國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)搖臂殼體力學(xué)性能

5 采煤機(jī)運(yùn)維可靠性

設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)是對(duì)采煤機(jī)工作和健康狀態(tài)進(jìn)行在線感知和評(píng)判，采煤機(jī)結(jié)構(gòu)越集成、功能越復(fù)雜、自動(dòng)化程度越高，對(duì)其狀態(tài)檢測(cè)要求也越高。采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息包含3個(gè)方面：

(1)設(shè)備過(guò)載超速保護(hù)信息，例如截割高度、牽引速度、電機(jī)負(fù)載等；

(2)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)診斷信息，諸如關(guān)鍵部件(電機(jī)、軸承、齒輪)的溫度與振動(dòng)、潤(rùn)滑與磨損、變形與裂紋等；

(3)設(shè)備預(yù)知維修信息，即預(yù)測(cè)性維修的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括關(guān)鍵點(diǎn)的故障態(tài)勢(shì)、故障位置、故障類型、維修提示及策略，并向監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警和指令。

5.1 過(guò)載保護(hù)技術(shù)

采煤機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩按照額定載荷設(shè)計(jì)，如果長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)造成多電機(jī)熱損壞，電機(jī)過(guò)載保護(hù)分為機(jī)械式過(guò)載保護(hù)和電子式過(guò)載保護(hù)。依據(jù)負(fù)載源到電動(dòng)機(jī)的載荷流方向，采煤機(jī)應(yīng)設(shè)置三重過(guò)載保護(hù)：一是在電動(dòng)機(jī)輸出端設(shè)置限矩保護(hù)；二是電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)；三是電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)。

5.1.1機(jī)械式過(guò)載保護(hù)

1965年，安德森公司的MK-Ⅱ型雙滾筒采煤機(jī)上裝有牽引力過(guò)載保護(hù)的摩擦限矩器，正常工作時(shí)，摩擦限矩器處于閉合狀態(tài)；當(dāng)牽引力過(guò)載(>20 t)時(shí)，限矩器的摩擦片打滑，起到過(guò)載停車的保護(hù)作用。1975年，久益公司的1LS型采煤機(jī)在截割電機(jī)傳動(dòng)軸上設(shè)計(jì)了空心扭矩軸保護(hù)裝置，如圖6所示，當(dāng)截割硬巖或滾筒卡住發(fā)生過(guò)載時(shí)，空心軸內(nèi)部的小直徑傳動(dòng)軸被扭斷，保護(hù)傳動(dòng)件和電機(jī)不發(fā)生破壞[48]。1990年，久益公司生產(chǎn)的6LS采煤機(jī)上裝有5根扭矩軸，對(duì)采煤機(jī)截割部起到了有效的緩沖減振和過(guò)載保護(hù)作用[49]。1994年，艾柯夫公司的SL500采煤機(jī)上裝設(shè)了彈性扭矩軸，之后的SL系列采煤機(jī)使用扭矩軸作為過(guò)載保護(hù)裝置。2016年，三一重工集團(tuán)在其采煤機(jī)上設(shè)計(jì)了端齒聯(lián)軸器，如圖7所示，利用端齒盤在傳遞扭矩時(shí)的齒間作用力產(chǎn)生軸向分力的特性，過(guò)載時(shí)會(huì)推動(dòng)傳動(dòng)軸分離端齒盤，從而斷開(kāi)過(guò)載沖擊傳動(dòng)鏈，避免了更換扭矩軸，減少了停產(chǎn)時(shí)間[50]。

1-扭矩軸，2-驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3-傳動(dòng)齒輪，4-搖臂外殼圖6 美國(guó)久益公司6LS采煤機(jī)扭矩軸結(jié)構(gòu)

1-端齒傳動(dòng)軸；2-傳動(dòng)齒輪；3-限位板圖7 三一重工集團(tuán)采煤機(jī)端齒聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

5.1.2電子式過(guò)載保護(hù)

采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)和過(guò)載故障一般都會(huì)導(dǎo)致電流增大、溫度升高，因此可以通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)來(lái)判斷故障并通過(guò)熱繼電器進(jìn)行保護(hù)。1901年，美國(guó)通用電氣公司首次制造出過(guò)流繼電器。20世紀(jì)50年代初，截煤機(jī)采用了雙金屬片熱繼電器，我國(guó)引進(jìn)蘇聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)了JR0～JR16系列雙金屬片熱繼電器，對(duì)采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)具有反時(shí)限性能和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；70年代末期，國(guó)外采煤機(jī)開(kāi)始使用電子式熱繼電器作為過(guò)熱保護(hù)裝置，利用電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的傳感器檢測(cè)溫度，當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組溫度接近故障臨界值，晶體管或集成電路繼電器迅速切斷電動(dòng)機(jī)電源，使其得到保護(hù)；80年代初，艾柯夫公司的采煤機(jī)上使用8SD8512型電子過(guò)流繼電器[51]；1993年，久益公司生產(chǎn)的6LS型采煤機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)有RTD熱阻檢測(cè)傳感器，截割電機(jī)的RTD阻值變化信號(hào)傳輸?shù)紺CU模塊，對(duì)采煤機(jī)實(shí)施保護(hù)控制；1997年該公司的7LS型采煤機(jī)電氣回路中配置了電流互感器、電流傳感器、溫度檢測(cè)器等多種傳感器，為采煤機(jī)的油泵電機(jī)、截割電機(jī)、牽引電機(jī)提供過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)過(guò)載保護(hù)的自動(dòng)控制，有效避免采煤機(jī)各個(gè)電機(jī)發(fā)生過(guò)載和過(guò)熱故障[52]；2008年，西安煤礦機(jī)械公司研制的MG900/2210-GWD型采煤機(jī)采用PLC電氣控制中心，在截割電機(jī)、破碎電機(jī)、泵電機(jī)、牽引電機(jī)繞組內(nèi)埋有溫度接點(diǎn)，并串入啟動(dòng)回路，當(dāng)電機(jī)溫度達(dá)135 ℃時(shí)，電機(jī)降低容量30%運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)溫度達(dá)到155 ℃時(shí)，PLC輸出信號(hào)將采煤機(jī)啟動(dòng)回路自保接點(diǎn)切斷，使采煤機(jī)停電[53]。

5.2 故障監(jiān)測(cè)診斷

20世紀(jì)60年代中期，波蘭研發(fā)出采煤機(jī)故障監(jiān)視和無(wú)線電遙控系統(tǒng)[54]。1976年，艾柯夫公司生產(chǎn)的EDW170-L雙滾筒采煤機(jī)上裝有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采高、機(jī)位、速度、油溫、油壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、工作面溫度的傳感器，信息可由多路音頻系統(tǒng)傳輸至地面；1983年，久益公司生產(chǎn)的3LS采煤機(jī)裝有38種檢測(cè)和診斷功能，包括牽引速度、油溫、各處油壓、水壓、各電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)數(shù)、溫度等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)都能數(shù)字化顯示，并在手持終端上顯示運(yùn)行工況，當(dāng)發(fā)生某種故障時(shí)，通過(guò)操作盒的數(shù)字顯示器自動(dòng)顯示出故障狀態(tài)號(hào)碼[55]；1986年，艾柯夫公司的EDW-450L型雙滾筒采煤機(jī)裝有探測(cè)裝置，能把采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)降V井監(jiān)視臺(tái)并記錄下來(lái)。

1984年，安德森公司研發(fā)出3個(gè)采煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)工作壓力、溫度和油液的流動(dòng)等；采煤機(jī)故障判別系統(tǒng)用于查詢故障，指示回路工作的連續(xù)性；采煤機(jī)操縱狀況信息系統(tǒng)監(jiān)視采煤機(jī)的位置、速度、功率消耗等參數(shù)。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效提高了采煤機(jī)運(yùn)行可靠性。1985年，該公司研制出裝有微型計(jì)算機(jī)的滾筒采煤機(jī)，配備了LCD顯示器，模擬顯示機(jī)器故障診斷信息，可以顯示額定值和實(shí)際值，進(jìn)行功能檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)維修。利用矩陣式鍵盤可以選擇測(cè)點(diǎn)和貯存數(shù)據(jù)，檢測(cè)的采煤機(jī)物理參數(shù)包括：電壓(供給電壓、輔助電壓、電源電壓)、電流(截煤電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、電磁閥)、壓力(油壓、水壓)、溫度(電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油、礦層)、容量(冷卻水、潤(rùn)滑油)、工況(電纜牽引力、切割高度、傾角、位置)，診斷裝置可向手控裝置和遙控裝置進(jìn)行指令發(fā)送器的功能檢驗(yàn)[56]。

1993年，美國(guó)朗艾道公司的EL系列采煤機(jī)上配有Impact監(jiān)控系統(tǒng)，具有隨機(jī)故障監(jiān)測(cè)、診斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｆ渲饕獏?shù)包括：采煤機(jī)的位置及運(yùn)動(dòng)方向(可用作控制液壓支架的指令)、牽引速度、牽引力、供電電壓；負(fù)載電流和負(fù)載功率、采煤機(jī)在兩個(gè)方向的傾斜度、擋煤板的位置及運(yùn)動(dòng)、冷卻水壓力及流量、主液壓系統(tǒng)及輔助液壓系統(tǒng)壓力、流量和溫度；制動(dòng)系統(tǒng)的壓力和溫度、各齒輪箱的油位和油溫、液壓箱的油位、重要軸承的溫度。裝在采煤機(jī)上的計(jì)算機(jī)可以顯示以上參數(shù)的實(shí)際值及其極限警報(bào)。

久益公司在6LS、7LS采煤機(jī)上嵌入JNA系統(tǒng)，它有更為全面的故障診斷及圖形顯示功能，可提供14個(gè)信息菜單：截割部信息匯總、左截割部電流曲線、左截割部溫度曲線、右截割部電流曲線、右截割部溫度曲線、牽引速度-電流柱狀圖、牽引電流曲線、牽引速度曲線、泵站電機(jī)電流曲線、狀態(tài)顯示燈、錯(cuò)誤信息記錄、單項(xiàng)記錄-重新整定、記憶截割菜單、參數(shù)模式整定。艾柯夫公司在其SL系列采煤機(jī)上裝有MICOS68礦用微機(jī)系統(tǒng)，可顯示10個(gè)狀態(tài)參數(shù)菜單：運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)操縱、截割部參數(shù)、牽引部參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、各檢測(cè)點(diǎn)溫度、各電動(dòng)機(jī)電流、水量和水壓、控制系統(tǒng)軟硬件型號(hào)、診斷和預(yù)警[57]。

在我國(guó)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始重視采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。1995年，研發(fā)成功國(guó)產(chǎn)AM500采煤機(jī)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷專家系統(tǒng)，可對(duì)采煤機(jī)的15類故障進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和報(bào)警[58]。近年來(lái)，嵌入式采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，能夠在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)顯示采煤機(jī)各種機(jī)電液部件的工作參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入機(jī)載大數(shù)據(jù)記錄儀[59]。目前，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)都有機(jī)載或手持終端上的實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和記憶存儲(chǔ)信息，可視化功能包括：開(kāi)機(jī)操作提示，故障顯示，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，狀態(tài)及故障信息存儲(chǔ)，故障信息提示，截割電機(jī)恒功率控制，牽引電機(jī)負(fù)荷控制，電氣溫度顯示及熱保護(hù)，變頻調(diào)速系統(tǒng)超頻、過(guò)載、過(guò)流、短路和漏電保護(hù)，簡(jiǎn)單的電氣系統(tǒng)故障診斷[60]。

5.3 預(yù)測(cè)性維修

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)不斷發(fā)展，采煤機(jī)技術(shù)走向大功率、集成化、智能化，雖然設(shè)計(jì)可靠性和材料可靠性逐漸提高，但其運(yùn)行故障的可預(yù)見(jiàn)性和易維修性卻遇到更大挑戰(zhàn)，對(duì)設(shè)備維修要求越來(lái)越高。

與其他行業(yè)機(jī)械設(shè)備維修方法變遷一樣，采煤機(jī)維修方法也在不斷進(jìn)步。按照設(shè)備狀態(tài)和維修時(shí)機(jī)，維修方式分為故障前的預(yù)防性維修、預(yù)測(cè)性維修和故障后的修復(fù)性維修兩大類。修復(fù)性維修(Corrective Maintenance，CM)又稱事后維修，是在設(shè)備部分或全部故障后恢復(fù)其使用功能，屬于非計(jì)劃性維修；預(yù)防性維修(Preventive Maintenance, PM)又稱定時(shí)維修，按經(jīng)驗(yàn)確定的時(shí)間間隔進(jìn)行停機(jī)檢查、解體、更換零部件，以預(yù)防損壞、繼發(fā)性毀壞及生產(chǎn)損失，這是目前采煤機(jī)普遍采用的定期大修、中修和小修；預(yù)測(cè)性維修(Predictive Maintenance，PdM)是以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)的維修策略，通過(guò)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障態(tài)勢(shì)分析，預(yù)判可能發(fā)生的故障模式，由此制定預(yù)測(cè)性維修的時(shí)間、項(xiàng)目、方式及必需備件。設(shè)備診斷技術(shù)是預(yù)測(cè)性維修技術(shù)的核心[61]。設(shè)備維修方法發(fā)展進(jìn)程如表4所示。

表4 設(shè)備維修方法發(fā)展進(jìn)程

設(shè)備維修費(fèi)用一直是礦山管理者關(guān)注的一個(gè)重要成本問(wèn)題，就全球范圍而言，采礦設(shè)備的維修費(fèi)可能會(huì)占到產(chǎn)品成本的20%～40%。對(duì)于我國(guó)采煤機(jī)而言，目前大部分還處于預(yù)防性維修階段，近年來(lái)生產(chǎn)的自動(dòng)化或初級(jí)智能化采煤機(jī)具有一些預(yù)測(cè)性維修功能。預(yù)測(cè)性維修將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修決策和維修實(shí)施融為一體，貫穿于采煤機(jī)健康監(jiān)測(cè)、病灶發(fā)現(xiàn)、未病預(yù)防、病變消除的全過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是基礎(chǔ)，故障診斷是依據(jù)，狀態(tài)預(yù)測(cè)是關(guān)鍵，維修決策是重點(diǎn)，維修實(shí)施是手段。未來(lái)，根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和退化機(jī)理模型，利用人工智能技術(shù)， 及時(shí)檢出異常信息并預(yù)測(cè)采煤機(jī)剩余使用壽命 (Remaining Useful Life，RUL)， 制定最優(yōu)維修方案，形成基于壽命預(yù)測(cè)和維修決策的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，這將是保障重型智能化采煤機(jī)高可靠性運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1978年，美國(guó)伯利恒礦山公司的埃爾斯沃思礦務(wù)局研發(fā)出計(jì)算機(jī)化維修信息系統(tǒng)，在賓夕法尼亞州華盛頓的南部和東部的51、58和60號(hào)煤礦推行預(yù)防性維修管理，主要目的是為了在生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)減少設(shè)備的平均停機(jī)時(shí)間。3個(gè)煤礦共有23個(gè)裝備連續(xù)采煤機(jī)和梭車的采區(qū)，還有1個(gè)完整的長(zhǎng)壁采煤系統(tǒng)，原煤產(chǎn)量近470萬(wàn)t/a。按照計(jì)算機(jī)的修正程序打印輸出的報(bào)告，形成設(shè)備壽命的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，即適當(dāng)預(yù)防性維修計(jì)劃的主要輸出報(bào)告，也是預(yù)防性維修單元臨界壽命的統(tǒng)計(jì)報(bào)告[62]。1981年，加拿大魁北克卡捷采礦公司使用維修管理計(jì)算機(jī)化的維修計(jì)劃和管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)管理露天鐵礦和港口的作業(yè)設(shè)備維修任務(wù)，采用預(yù)測(cè)性維修技術(shù)，用以監(jiān)測(cè)設(shè)備隊(duì)、選礦廠和球團(tuán)廠的設(shè)備狀況，油液分析和振動(dòng)分析分別是發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障的有效預(yù)測(cè)方法，在計(jì)算機(jī)終端可獲得預(yù)測(cè)結(jié)果[63]。1984年，美國(guó)亨德森鉬礦制定出一套規(guī)范的預(yù)防性維修制度，建立了維修管理信息系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了維修信息軟件，實(shí)現(xiàn)了井下工作站與中央計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，維修人員可實(shí)時(shí)查到維修信息。該礦推行全員生產(chǎn)維修理念，井下生產(chǎn)區(qū)域及其他區(qū)域的道路養(yǎng)護(hù)、機(jī)修工和操作人員培訓(xùn)、職工全員參與等方面制定了相應(yīng)維修制度和措施。通過(guò)上述努力，鏟運(yùn)機(jī)每噸礦量維修費(fèi)用降低了50%，設(shè)備完好率和生產(chǎn)效率均有明顯提高[64]。1988年，英國(guó)安德遜長(zhǎng)壁公司組建了售后服務(wù)部，協(xié)助用戶的AM500采煤機(jī)運(yùn)行診斷和維修。該公司研發(fā)了嵌入手持式編程計(jì)算機(jī)的CS21數(shù)據(jù)采集裝置，并提供1個(gè)維修軟件包，每月由現(xiàn)場(chǎng)維修人員通過(guò)CS21采集裝置輸入采煤機(jī)缺陷數(shù)據(jù)，維修包錄入采煤機(jī)油液分析數(shù)據(jù)，每隔7 d輸入1次。AM500維修計(jì)劃分成140個(gè)維修檢查項(xiàng)目，數(shù)據(jù)軟件包有150個(gè)屏幕顯示對(duì)維修事項(xiàng)進(jìn)行提示。CS21數(shù)據(jù)采集裝置在每周末收集所有維修數(shù)據(jù)，在星期一輸入操作中心的中央計(jì)算機(jī)，形成1份采煤機(jī)缺陷記錄及其原因的報(bào)告，送給服務(wù)經(jīng)理確認(rèn)，然后分成兩大類向煤礦和維修部門提出維修建議[65]。1991年，南非礦山開(kāi)始重視采礦設(shè)備的預(yù)測(cè)性維修，里士滿(Richmond)公司創(chuàng)立了工況監(jiān)測(cè)服務(wù)公司(Condition Monitoring Service，CMS)，監(jiān)測(cè)地下采礦設(shè)備的差速器、液壓裝置、齒輪變速箱及主傳動(dòng)器及回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的齒輪變速箱，露天礦的破碎機(jī)和磨礦機(jī)的電動(dòng)機(jī)和齒輪減速箱，輸送機(jī)、濃縮機(jī)及攪拌機(jī)的齒輪箱，以及水泵、空氣壓縮機(jī)及通風(fēng)機(jī)等。為了管理設(shè)備磨損失效數(shù)據(jù)，CMS公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)Tribo Predict數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可自動(dòng)記錄磨損監(jiān)測(cè)結(jié)果、維修詳細(xì)情況及設(shè)備作業(yè)性能歷史。據(jù)預(yù)測(cè)，如果南非金礦能有效地組織預(yù)測(cè)性維修，其采金業(yè)可節(jié)約10億蘭特/a左右(當(dāng)前的1蘭特約合人民幣0.42元)[66]。

20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)礦山局組織了久益公司16CM連續(xù)采煤機(jī)在線故障診斷和維修系統(tǒng)研發(fā)，主要針對(duì)連續(xù)采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)。液壓傳感器監(jiān)測(cè)流體壓力、流量、溫度，液位及過(guò)量污染物，傳感器數(shù)據(jù)由BITBUS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采集。電氣診斷系統(tǒng)檢測(cè)59個(gè)輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)專家診斷系統(tǒng)，能發(fā)現(xiàn)16種常見(jiàn)故障。電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)監(jiān)測(cè)連續(xù)采煤機(jī)的6臺(tái)電機(jī)的絕緣電阻參數(shù)，這些參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以分析長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的絕緣性能變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)電機(jī)殘余壽命[67]。

在我國(guó)，1998年李文英等[68]提出了采煤機(jī)牽引液壓系統(tǒng)的主動(dòng)預(yù)防性維修策略，對(duì)AM500型采煤機(jī)牽引液壓系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)預(yù)防性維修，從而大幅度降低了液壓系統(tǒng)故障，減少液壓的配件損耗，可以有效避免因油液污染引起的磨損、卡滯、孔口堵塞等故障的發(fā)生。1999年，員創(chuàng)治等[69]開(kāi)展了采煤機(jī)液壓系統(tǒng)預(yù)知性維修，以油液的油質(zhì)分析和油中微粒分析檢測(cè)，獲得設(shè)備內(nèi)部磨損信息，根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行維修，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，液壓系統(tǒng)故障率從6.30%降為0.44%，影響產(chǎn)量從4 980 t降至375 t。2015年，張永強(qiáng)等[70]研發(fā)出基于RCM的煤礦機(jī)電設(shè)備維修管理系統(tǒng)，包含用戶信息管理、設(shè)備信息管理、備件信息管理、設(shè)備維修信息管理、制造商供應(yīng)商管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理、系統(tǒng)信息查詢管理、系統(tǒng)維護(hù)管理和RCM分析等模塊，用于MG500/1130-WD采煤機(jī)牽引電機(jī)維修管理，通過(guò)400 h定檢信息比較，RCM維修管理的維修時(shí)間比傳統(tǒng)的預(yù)防維修減少5 d，人員由5人降為3人，提高了設(shè)備維修可靠性。2013年，吳行標(biāo)等[71]研發(fā)出基于可靠性分析的采煤機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置、工作面巷道上位機(jī)和井上監(jiān)測(cè)中心，基于故障樹(shù)分析和故障模式影響及危害性分析，建立采煤機(jī)故障數(shù)據(jù)庫(kù)，形成采煤機(jī)健康度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，可用于提高采煤機(jī)維修可靠性。2020年，王曉云[72]介紹了神華準(zhǔn)能集團(tuán)建設(shè)的礦山設(shè)備預(yù)測(cè)性維修大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，包括前端數(shù)據(jù)采集、中層數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)(狀態(tài)監(jiān)測(cè))、后端數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)優(yōu)化(故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修決策)等模塊，該系統(tǒng)用于MT4400礦用卡車收集數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)性維修決策。

6 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)可靠性一直是其發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，隨著設(shè)計(jì)、材料、信息、控制等技術(shù)不斷進(jìn)步，采煤機(jī)可靠性也穩(wěn)步提升?？傮w來(lái)看，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的可靠性指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品還有一定的差距，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)原因。

(1)國(guó)外對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵部件、材料性能和質(zhì)量保證的要求十分嚴(yán)格，遇到特殊需求則會(huì)組織專題研發(fā)突破，而國(guó)內(nèi)制造商相對(duì)缺少創(chuàng)新理念和實(shí)力，多以已有技術(shù)為支撐，導(dǎo)致采煤機(jī)使用可靠性提升速度受到制約。

(2)國(guó)外的采煤機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新力強(qiáng)，無(wú)論是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、模塊式結(jié)構(gòu)、高壓供電技術(shù)，還是故障診斷技術(shù)、安全保護(hù)技術(shù)、設(shè)備維修方式，原創(chuàng)性樣機(jī)均出自國(guó)外，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)多處于模仿和跟跑階段，只在采煤機(jī)功率增大、產(chǎn)量放大上有提高，缺少?gòu)臒o(wú)到有的技術(shù)創(chuàng)新。

(3)采煤機(jī)可靠性是一個(gè)全壽命周期的質(zhì)量指標(biāo)，它涵蓋可靠性設(shè)計(jì)、可靠性增強(qiáng)、可靠性材料、可靠性運(yùn)維等多方面技術(shù)水平，其水平高低既由產(chǎn)品制造質(zhì)量影響，也受用戶運(yùn)維水平影響，因此廠家和用戶構(gòu)成了一個(gè)可靠性保障共同體，目前還缺少數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的采煤機(jī)運(yùn)維平臺(tái)。

(4)國(guó)外采煤機(jī)的定型、牌號(hào)、參數(shù)都是制造商根據(jù)市場(chǎng)需求和客戶要求而自主確定，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和獨(dú)特設(shè)計(jì)的部件模塊，而我國(guó)采煤機(jī)牌號(hào)統(tǒng)一、參數(shù)差別不大，在約600臺(tái)/a的有限市場(chǎng)容量下，10多家制造企業(yè)以競(jìng)價(jià)贏得市場(chǎng)，沒(méi)有把定量化的可靠性指標(biāo)作為用戶選擇產(chǎn)品的重要依據(jù)。換言之，采煤機(jī)售價(jià)高低與其可靠性好壞沒(méi)有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

致 謝：謹(jǐn)以此文向?yàn)槲覈?guó)采煤機(jī)可靠性技術(shù)發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)的前輩們致敬！作者致謝為本文索引資料提供便利的中國(guó)知網(wǎng)、百度咨詢、360百科等信息平臺(tái)。本文述及的采煤機(jī)技術(shù)研發(fā)年份可能有偏差，請(qǐng)讀者幫助校正和補(bǔ)充。