EBZ200R掘进机的研发

席亚兵 黄志怀 王文莹

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110020）

0 引言

俄罗斯地区煤炭储量占全球15.2%，全球第二。总产量4.41 亿吨，全球第六。可见俄罗斯地区有很好的市场基础，因此该国已成为我公司开拓海外市场的主要目标地区。经调研EBZ200 掘进机是俄罗斯常规进口机型，但是该机型的功能已经不能满足俄罗斯的煤矿标准和使用习惯，因此开发一款符合俄罗斯工况的新机型EBZ200R 掘进机势在必行。

1 俄罗斯地区掘进设备需求

通过市场调研发现，国内煤矿和俄罗斯煤矿在使用掘进设备过程中，无论在煤矿安全标准、客户需求、还是使用习惯上都与国内有所区别，归纳总计如下： ①俄罗斯很多矿井都不是采用的皮带运输，而是采用梭车或者是有轨小车进行运输，因此国内常规的第一运输机就无法适应各地区的后配套运输系统；②俄罗斯文字比较长，国内常规的操作箱一般是5.7 寸屏幕，无法正常显示俄文；③根据俄罗斯的煤矿安全规程，截割头的喷嘴要求使用柱状喷嘴，同时还要满足要求大于2.5MPa；④冷却水系统的的压力和流量不足时，设备需要自动停机；⑤掘进机要求实现遥控功能；⑥将掘进机的运行和监控数据传输到井上，进行观测和监控；

2 EBZ200R 整机方案与专项功能

2.1 整体方案

该文以我司现有的EBZ200 掘进机为基础，针对俄罗斯的特殊需求进行功能研发和部件设计，最终设计出一款俄罗斯专用的新机型EBZ200R 掘进机。整机方案和结构如图1 所示。

EBZ200R 掘进机的设计，在保持原有设备基本功能不变的情况下，主要开发了如下的全新功能和部件，见表1，表1 列出了设计的新结构和及其作用。

图1 EBZ200R 掘进机方案和结构图

2.2 万向摆尾结构第一运输机的设计

现有掘进机中第一运输机，都是刚性连接，出料口位置固定不变，无法改变出料口位置，截割的物料只能通过后面搭接的皮带运输机机往后运送，即后配套运输系统单一，根本无法满足俄罗斯特殊巷道多样化的运输需求。

根据俄罗斯后配套运输系统的多样性，设计一款可以实现出料口高低可调，左右可摆动，实现任意方向出料的万向结构第一运输机。它适应任意形式的后配套系统，结构如图2 所示，图2 显示了该机构的关键部件和位置。

表1 新增专项功能

图2 万向结构第一运输机示意图

① 工作原理

当出料口需左右摆动时，通过控制掘进机操作台对应的的液控手柄，使序号为7 的摆动油缸伸长和缩短，推动后面的摆动槽绕着序号8 的摆动销轴进行转动，从而实现了出料口左右摆动，该机摆尾范围为±40°。当出料口需要上下调整时，通过控制掘进机操作台对应的的液控手柄，使序号为5 的拉升油缸进行伸长和缩短，从而带动后面的整体绕着序号为6 的转动销轴进行转动，实现出料口的抬高和降低。

② 工作能力计算

根据运输机运行阻力公式如公式（1）所示。

式中：q—溜槽中单位长度内煤质量；q—刮板链、刮板在槽中每1m 的质量，上、下槽中共计128kg/m；L—运输机长度，取12m；W′—煤在槽中移动阻力系数，取1；β—运输机倾斜角度平均为9.5°；f—刮板链在槽中移动阻力系数，单链，有导向取0.5；W—运输机运输阻力矩。

将设计参数代入公式（1），可得：

第一运输机马达提供给刮板链的牵引力F 如公式（2）所示。

式中：D—驱动链节圆，0.279m；M—马达输出扭矩。马达输出扭矩M的计算如公式（3）所示。

式中：ΔP—马达进出油口压力差；q—马达排量；η—马达容积效率；η—马达机械效率。

将参数代入公式（3），可得：

因此，可得出结论：F>W，即牵引力大于阻力，满足设计要求。

③ 关键部件强度分析

因万向摆尾第一运输机为此设备关键功能部件，受力复杂，因此对其进行强度校核十分必要。将简化后的三维模型导入有限元分析软件（ANSYS）中，进行强度分析，计算各个组焊件的最大应力。

为了便于对关键部件受力结果的分析和统计，整理结果见表2，通过数据结果分析，整个第一运输机的设计强度安全可靠，满足强度要求。

2.3 智能化操作台的设计

传统掘进机的操作台在井下工作时，屏幕显示的界面比较小，对个别国家语言的全部显示，特别是俄文，文字较长，无法在一个页面中显示其基本的多条内容，甚至无法提供清晰明了的信息。同时伴随着技术和产品的进步，掘进机正在向智能化的方向发展，特别是现在已经开始实现以无线遥控和远程遥控的方式进行操作掘进机，普通的操作台已经不能满足掘进设备的现代化需求，因此开发了一款可以实现无线控的智能化操作台，总体方案和功能如图3 所示。

图3 中的操作台不但涵盖了以前的基本功能，还满足了俄罗斯的特殊需求：

①全面显示屏，显示屏设计由原来的5.7 寸改为10.4寸。可解决俄文字符较长，显示字体小的问题。

②电磁换向多路阀、先导电磁阀箱、梭阀组件、先导手柄联合作用，实现掘进设备的无线遥控和远程操作功能，以及手动和遥控的切换。

③集成水监测单元，可以实时监测设备冷却水的流量和压力，同时与掘进设备实现水电联动功能，即当操作台的检测装置检测到冷却水的流量不足和水压力过大、过小时，系统自动切断截割电机，实现对截割设备的实时保护。

表2 总体仿真结果

2.4 全喷嘴的截割头设计

所谓全喷嘴截割头是指在截割头的每一个截齿座上都要求安装柱状喷嘴。这是俄罗斯国家煤安新增的特殊要求。如图4 所示，在重新设计截割头时，将截割头水套与截割头体组焊在一起，内外两层之间形成一个储水空间，截齿座焊接在截割头体外部，柱状喷嘴安装在截齿座上，截割头体与截齿座的对应位置开有水孔。工作时截割头上的每一个截齿都有喷雾从喷嘴中喷出。

图3 智能化操作台方案图

图4 全喷嘴截割头

2.5 智能化水系统的设计

如图5 所示，在掘进机水系统中增加压力和流量传感器、电磁换向阀、高压水泵、液控水阀等关键零部件，通过优化水路，合理布局等实现智能化水系统。

水系统中的流量计和压力传感器可以将检测数据实时显示在屏幕上，同时还可以通过程序自动的控制截割电机。当检测到流量或者压力不满足参数要求时，传感器将信号反馈给掘进机主控器，系统会控制截割部自动停机，最大限度地防止电机和截齿的过热，起到智能保护的作用。

在水系统的前端安装有增压水泵，通过给水增压的方式解决来水压力和流量不足带来的喷雾效果不佳的问题，在整个水系统的控制和联动过程中，全部采用遥控的控制和自我判断的方式，实现了智能化。

2.6 增加Wi-Fi 功能

在掘进机护板的上方设置监控分站，监控分站具有Wi-Fi 无线收发功能，可以进行以太网口和CAN 口之间的数据转换，还可以将掘进机的各种数据通过无线的方式传递到下一个分站，最后通过光纤将信号上传到井上监控中心，用于监控整机的设备运行情况，方案如图6 所示。

图5 水系统线路图

图6 Wi-Fi 分站方案图

掘进机的监控采用近距离无线Wi-Fi 传输和远距离光纤传输方式相结合模式。主要参数如下：

①视频信号传输延时≤5ms。②控制动作信号延时max ≤0.8s。③控制距离≥1000m，无线距离≤80m。

3 结语

该文结合目前国内EBZ200 机型和俄罗斯地区煤矿巷道的实际情况，成功研发出了满足俄罗斯地区的EBZ200R 掘进机，并且已经出口到俄罗斯北钢瓦尔库塔煤矿进行实验性应用，取得了良好的掘进效果。此外，对于其他机型来说，也可以通过在目前已有的机型基础上，进行上述配置，提高设备综合性能。此结构方案市场前景看好，将创造较大的经济效益，提高核心竞争力。