综采工作面“三机”工况监测系统研究

中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名：学号：
学院：
专业：
设计题目：综采工作面“三机”工况监测系统研究专题：
指导教师：职称：
2010年 6 月
中国矿业大学毕业设计任务书
学院专业年级学生姓名
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毕业设计日期：
毕业设计题目：综采工作面“三机”工况监测系统研究
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
1.查阅相关资料，全面了解煤矿综采工作面及其工况监测技术的研究与
应用现状；
2.重点对综采工作面的“三机”——采煤机、刮板输送机和液压支架的
分类、结构及工作原理，进行全面深入的了解和分析；
3.掌握综采工作面“三机”的选型要求、配套原则和联锁动作顺序；
4.了解综采工作面“三机”工况监测的现状和比较成熟的监测方法和技
术，重点理解掌握利用现代监测技术实现“三机”的工况监测；
5.查阅最新的与毕业设计内容直接相关的英文文献一篇，翻译为中文，
中文字数不少于3000字。

院长签字：指导教师签字：
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：指导教师签字：
年月日
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；
⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
摘要
随着煤炭事业的快速发展，电子技术和计算机技术迅速的渗透到煤矿行业中去，综合机械化采煤正朝着自动化和机电一体化方面发展。

所以对综采工作面设备的配套和综合监测技术的要求也越来越高。

而“三机”（即液压支架、采煤机和刮板输送机）又是综合机械化采煤的核心部分，也是一个矿井生产的核心。

因此，实现对综采工作面“三机”的工况监测研究是十分必要的。

本论文在设计的过程中经过认真的学习、分析和研究，理解了论文所要研究的重点内容。

首先，在绪论部分简要的介绍了我国煤矿自动化生产的发展状况以及实现综采工作面自动化生产要具备的两个条件：一是“三机”的合理配套，二是“三机”的工况监测。

接着，在论文的第二部分简要的阐述了“三机”的国内外研究现状及发展方向，主要朝着重型化，自动化，智能化等方向发展。

第三部分介绍了“三机”基础性的内容，如“三机”的结构、原理、分类等以及各组成部分的功能。

第四部分和第五部分是本论文的核心内容。

重点介绍了“三机”的选型原则及实现自动化生产的合理配套。

以及目前对综采工作面设备实施监测的一些方法，如温度、压力、振动、油液等。

最后，特别是对“三机”分别进行了一些工况监测的研究。

关键词:综采工作面；“三机”配套；工况监测
ABSTRACT
With the rapid development of coal industry, electronics and computer technology to quickly infiltrated into the coal industry of, mechanized mining are working towards automation and Mechatronics development. So mechanized equipment and comprehensive monitoring technology is steadily increasing. While the three machine "(i.e., Shearer and powered conveyor) is the core of mechanized mining section, is also a core of mine production. Therefore, the implementation of the three mechanized machine condition monitoring study "is essential.
This paper in the design process after a careful study,analysis, and research, understand the thesis studies focus on content.First of all, in the introduction section briefly describes the automatic production of coal mines in China's development status, as well as implement automation mechanized production to possess two conditions: first, the three machines "of reasonable supporting, the second is the" three machine condition monitoring. Then, in the second part of the paper briefly explains the three machine "of the situation and development, mainly towards heavier, automation, intelligent, and so on. The third section describes the three machine "foundational content, such as" three machine "structure, theory, classification, etc., and component features. The fourth and fifth part is at the core of this thesis. Highlights the three machine "selection principles and automated production of reasonable supporting. And now mechanized equipment implementation monitoring of some methods, such as temperature, pressure, vibration, oil, etc. Finally, particularly on the three machine "then some condition monitoring of research.
Key words: three mechanized ；"machine" matching ；condition monitoring
目录
1 绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2煤矿自动化发展概况 (1)
1.3综合机械化采煤概述 (1)
1.4研究的内容 (2)
2国内外研究现状及发展方向 (2)
2.1液压支架国内外现状与发展方向 (2)
2.2采煤机国内现状与发展方向 (3)
2.3刮板输送机国内外现状与发展方向 (4)
3“三机”的结构、原理及分类 (5)
3.1液压支架的结构、原理及分类 (5)
3.1.1液压支架工作原理及分类 (5)
3.1.2放顶煤液压支架的分类 (9)
3.1.3液压支架常见故障分析 (10)
3.2采煤机结构、原理 (12)
3.2.1滚筒采煤机的工作原理 (12)
3.2.2滚筒采煤机的结构 (13)
3.3刮板输送机结构及工作原理 (18)
4 “三机”的选型原则及合理配套 (19)
4.1液压支架的选型原则 (20)
4.2采煤机的选型原则 (20)
4.3刮板输送机的选型原则 (20)
4.4采煤机与液压支架配套要求 (21)
4.5刮板输送机与采煤机配套要求 (21)
4.6刮板输送机与液压支架的配套要求 (21)
5“三机”的工况监测研究 (23)
5.1液压支架压力监测系统研究 (24)
5.2多位传感器对电牵引采煤机综合监测研究 (27)
5.3刮板输送机链条张力自动监测系统研究 (30)
6总结 (33)
参考文献 (34)
英文翻译 (35)
英文原文 (35)
中文译文 (38)
致谢 (43)
中国矿业大学2010届本科生毕业设计第1页
1绪论
1.1引言
随着现代科学技术的不断发展，各种电子技术和计算机技术在不断的向各个领域渗透，人们对生产自动化和智能化水平要求越来也越高，越来越迫切,这极大的推动了各个行业的快速发展，也推动了经济，社会的发展和进步。

近年来，高新技术成果也迅速的渗透到煤炭行业。

发达国家的煤炭生产在实现综合机械化的基础上，正朝着自动化和机电一体化迈进。

煤炭工业由劳动密集性向技术密集性转换，从根本上改变了矿井的生产面貌。

这一发展证明了用现代先进技术去装备和改造煤炭工业是其首要的手段，这也就为煤矿自动化技术的发展指明了方向。

煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中，具有重要的战略地位。

我国煤炭资源丰富，总量居世界第一。

在国务院制订的能源中长期发展规划纲要里指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油、气和新能源全面发展的战略”。

鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭为主。

煤炭在我国能源结构上占着主要的地位，有着举足轻重的作用。

根据我国全面建设小康社会的需求，煤炭消费的趋势在明显上升。

所以我国煤炭开采生产过程中综合自动化和智能化技术所承担的分量越来越重。

1.2煤矿自动化发展概况
我国的煤矿自动化的发展可以追随到20世纪60年代，当时煤炭工业部调集了全国煤炭行业中研究电子和电气控制技术的精英，成立了我国煤炭行业唯一的专业自动化研究所。

当时受条件的限制，煤矿的自动化只能用继电器实现简单的开停和闭锁控制，且控制器体积庞大，安全性、可行性差。

20世纪70年代和80年代中期，晶闸管和逻辑电路逐步代替了老式继电器，成为了自动化控制的主要器件。

从而大幅度缩小了控制器的体积，改进了控制功能，提高了控制系统的安全性和可靠性。

从20世纪80年代后期开始，单片机因其强大的运算和逻辑控制能力，迅速替代了晶体管和逻辑集成电路，成为自动化控制系统的核心控制单元，从而大幅度提高了煤矿自动化控制系统的安全性和可靠性，实现了对煤矿设备的实时控制。

这个阶段，相继出现了以各种单片机为控制核心的各类煤矿专用监测控制系统，与之相配套的各种基于单片机原理的智能传感器和执行器也被迅速地研发出来。

可以说从这时开始，煤矿自动化控制和监测系统才真正进人使用阶段。

21世纪初，随着工业以太网为代表的信息网络技术的崛起，用高速信息网络来传输煤矿各专用监控、监测系统之间的信息逐步成熟，这大大的加快了煤矿安全技术的高速发展。

目前，在我国煤矿监控监测技术、生产自动化技术、网络应用等技术已经趋于成熟的情况下, 建设煤矿生产综合自动化系统，已成现实。

它对煤矿现场安全生产管理和监控、监测的能力有很强的信息处理和信息融合功能。

以实现对不同生产系统和生产辅助系统信息的综合处理和动态跟踪都起着很重要的作用[]1。

1.3综合机械化采煤概述
综合机械化采煤是在工作面采煤、装煤、运煤及支护等机械化的基础上，进一步使工作面各个设备经过合理的配套后组成一个整体进行生产。

它的技术进步主要体现在四个方面，一是工作面生产能力大幅提高，二是开采装备和开采工艺的完善，三是设备配套达到
国际先进水平，四是设备的监测水平在不断提高。

实行高水平的设备，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。

因此世界主要产煤国家综合机械化采煤技术和装备发展很快。

这样大大的促进了矿井生产系统的简化、生产集中、占用设备少、用人少、效率高、安全好、经济效益好。

早在20世纪70年代，我国便开始进行综合机械化采煤成套设备的开发研制，其中经历了从国外引进、消化吸收之后到自主研发和创新的发展过程。

自此综合机械化配套设备技术己经达到一定的水平，形成了比较完善的开采体系，并逐步成为我国中厚煤层实现高产高效矿井建设、节约化生产的主要技术途径之一。

但是，目前我国的综合机械化采煤水平与世界先进水平还存在着较大的差距，如设备制造水平落后、功率小、监测技术不完善等。

226。

所以，采煤综合机械化水平技术有待进一步提高[][]
综采工作面成套设备是建设高产高效矿井的核心，合理的配套、可靠的监测才是实现高效矿井的关键因素。

1.4研究的内容
（1）在煤矿综合现代化生产中，设备的合理选型和配套是至关重要的。

特别是综采工作面“三机”配套的合适与否直接影响整个矿井的生产效益的好坏。

通过对“三机”配套选型的研究，可以很好的减少顶板事故的发生率，提高“三机”的使用寿命和效率。

同时也可以更好地为矿井生产提供更合理的思路，为矿井产生创造更好的经济效益。

因此，研制适用于安全高产高效现代化矿井的综采设备，并按照国家建设安全高产高效现代化矿井的条件和要求，合理进行设备选型配套是实现安全高产高效现代化矿井的关键。

（2）在煤矿生产中，对采煤工作面设备进行工况监测是保障设备安全运行的基本条件，它能对采煤设备的运行状况时时进行监测，将信息及时传送到地面，便于生产管理部门对生产一线的安全生产情况及时掌握和全面管理，因此实现综采工作面的综合监测是十分必要的，是创造采煤工作面安全生产和高产高效的另一个重要条件。

2国内外研究现状及发展方向
2.1液压支架国内外现状与发展方向
20世纪50年代前，在国内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。

1954年英国首次研制出液压支架。

目前，以液压支架为主体的煤矿综采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。

我国是煤炭生产大国，到20世纪80年代我国液压支架才得到应用和发展，相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等20多种不同规格的液压支架。

这时自移式液压支架研制成功并逐步改进完善，进而普遍推广应用。

使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护等工序全部实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。

目前，在国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。

作为煤矿井下综采工作面支护关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。

20世纪50 年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命。

60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架梁端距变化大的问题，开辟了液压支架设计的新时代。

70年代主要是“立即支护”方式。

80年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都
采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。

虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世界发达国家相比，还存在很大的差距。

主要表现在：
(1) 我国虽然是煤炭生产大国但综采比例很低，生产技术水与世界发达国家差距很大。

由于生产技术的落后导致了地方煤矿重大事故在不断发生。

(2) 我国液压支架制造技术水平相对落后。

包括支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。

(3) 液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约着支架的移架速度。

为了满足高产综采工作面生产发展的需要，我们必须抓紧研制和推广电液控制系统。

液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。

目前，国内外对液压支架的研究在不断的改进。

各种先进技术逐步向液压支架不断渗透，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。

具体说，是以液压支架输出的力、速度为目的，构成了从输出到输入的闭环系统，是涉及传感技术、计算机控制技术、信号处理技术、机械传动技术、液压传动技术等。

由于快速运算速度，强大的记忆功能和灵敏的逻辑判断功能，从而实现了人机对话，使操作维护方便，整机功能强。

液压支架应用功能不断扩大，对矿井煤层地质条件适应性不断增强，生产效益对设备的依赖性程度愈来愈大，工作可靠性更加重要。

故障诊断技术（包括信号检测、故障判断、故障检测、故障分析等内容）将随着高科技的发展理论（如小波技术、神经网络、人工智能等）进入液压支架的早期诊断，预防和减少事故的发生、维修的盲目性和维修时间，延长支架服务年限，提高生产效率。

用微电子技术实现机电液一体化的数字采集、工况监测、故障诊断和自动控制
34。

是液压支架的发展方向[][]
2.2采煤机国内现状与发展方向
20世纪80年代以来，世界各主要采煤国家，为适应高产高效综采工作面发展和实现矿井集中化生产的需要，积极采用新技术，不断加速更新和改进滚筒采煤机的技术性能和结构，相继研制出一批高性能、高可靠性的“重型”采煤机。

其有以下特点；
(1) 装机功率和截割电机功率有较大幅度增加。

为了适应高产高效综采工作面快速割煤的需要，不论是厚、中厚和薄煤层采煤机，均在不断加大装机功率(包括截割功率和牵引功率)。

目前国内采煤机的装机功率大都在1000kW左右，单个截割电动机的功率都在不断提高。

(2) 电牵引采煤机已取代液压牵引采煤机而成为主导。

近几年来，几乎所有综采工作面的高产高效记录都是由电牵引采煤机创造的。

交流电牵引近几年发展很快，由于技术先进，可靠性高，维护管理简单，有取代直流电牵引的趋势。

(3) 牵引速度和牵引力不断增加。

液压牵引采煤机的最大牵引速度为8m/min左右，而实际可用割煤的速度为4~5m/min(相对最大牵引力时的牵引速度)，实际牵引功率仅为
40~50kW，不适应快速割煤的需要。

为适应高产高效工作面，而电牵引采煤机牵引力成倍增加，由于采煤机需要快速牵引割煤，滚筒截深的加大和转速的降低，又导致进给量和推进力的加大，故要求采煤机的牵引力大幅度提高。

(4) 采用多电动机驱动横向布置的总体结构可使各部件由单独电机驱动。

机械传动系统彼此独立，可模块化设计，结构简单，装拆方便。

目前国内外的电牵引采煤机几乎都采用了横向布置方式。

(5) 滚筒的截深不断增大，牵引速度也在不断加快。

十年前滚筒采煤机的截深，大都在630~700mm，而今多数已采用800mm和1000mm，1200mm截深也已在实际使用，甚至有些国家已达到1500mm截深。

(6) 普遍采用中高压供电。

随着采煤机装机功率大幅度提高，工作面不断加长，整个工作面容量有些以超过5000kW，工作面长度也达到300m。

为减少输电线路损耗，提高供电质量和电机性能，普遍采用中高压供电。

(7) 监控保护系统趋向智能化。

现代很多发达国家的电牵引采煤机均配备有智能化监控、监测和保护系统，可以实现交互式人机对话、无线电遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及预警、自动控制、自动调高等多种功能。

以保证采煤机维护量最小，利用率最高。

并可实现与液压支架、工作面输送机的信息交互和联动控制等功能。

国内电牵引采煤机研究方向:国内电牵引采煤机代表机型在总体参数和性能方面已接近国外先进水平。

但一些关键部件及其总体性能、功能、适应范围等方面还有待进一步完善和提高。

尤其是在线工况监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术与国外相比还有较大的差距。

因而国内电牵引采煤机的智能化程度低，设备
567。

可靠性、安全性和可维护性较差[][][]
2.3刮板输送机国内外现状与发展方向
本世纪初，英国最先研制了刮板输送机，其特点是单链条、小功率。

进入40年代，随着刨煤机和深截式采煤机的出现，煤矿生产进入了机械化时代。

为了适应这种情况，刮板输送机也发展为沿水平方向和垂直方向可以弯曲，为采煤机提供运输轨道。

双链牵引，多电机驱动，并能随着采煤机的运行及时推移。

50年代初开始，英国研制出浅截式滚筒采煤机和自移式液压支架，煤矿生产实现了综合机械化。

80年代中后期，英国的米柯、道梯、美国的长壁和德国的布朗等公司，纷纷推出全新的大功率工作面输送机，即高产高效输送机。

从而使该阶段的输送机具有如下特点：大功率、大运量、长运距、高可靠性、长寿命，其功率和运量比50年代增大2～3倍。

我国的煤矿机械设备制造企业起步比较晚，早期生产的很多设备，特别是刮板输送机，是借鉴国外企业的设备改造而成的，在结构的设计上有一定的盲目性。

为了保证运输设备的安全，公司设计人员往往加大了材料的用量，可以使设备在超强度工作环境下运行，但造成材料的很大浪费，这与日益激烈社会竞争环境相违背的。

建国初期，当国外已经开始进入综采机械化时，我国的煤矿机械刚刚走出仿制阶段，但它的发展非常迅速。

多年来，我国自行研制和仿制的刮板输送机品种多达几十种，就其发展的过程而言，也大体上经历了三个阶段。

第一阶段的代表产品有SGB—Ｂ型，SGWD—17型，SGD—20型。

第二阶段的代表产品有SGW—44型，SGW—80Ｔ型。

第三阶段是综采机械化阶段。

近年来，我国的刮板输送机发展很快，由只适应于中厚煤层发展到特厚和薄煤层的各种机型。

由单一的边双链发展到目前的既有边双链、中双链，又有介于两者之间的准边链。

另外功率越来越大。

8910。

虽然得到了迅速的发展，但与国外刮板输送机还存在着很大的差距[][][]
所以在未来的刮板输送机发展中应该向设备的重型化，自动化，智能化和适应薄煤层
开采的刮板输送机等方向发展。

3 “三机”的结构、原理及分类
3.1 液压支架的结构、原理及分类
3.1.1 液压支架工作原理及分类
1.液压支架的主要作用是：升架、降架、推移输送机，移架和支护顶板。

它主要是利用乳化液泵站提供的高压乳化液，通过液压控制系统控制不同功能的液压缸来实现的。

每架支架的进、回液管路都与连接泵站的工作面主供液管路和主回液管路并联，全工作面的支架共用泵站作为液压动力源。

每架支架形成各自独立的液压系统。

液控单向阀均设在本架内。

操纵阀设在本架内为本架操作。

操纵阀设在相邻支架内为邻架操作。

图3-1液压支架的工作原理图
1—顶梁 2—立柱 3—底座 4—推移千斤顶 5—安全阀 6—液控单向阀
7、8—操纵阀 9—输送机 10—乳化液泵站
支架的升降和推移：如3-1图所示，将操纵阀置于上阀位（升架位置），有乳化液泵站来的工作液体经操纵阀和液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧在顶板之间。

当操纵阀置于下阀位（降架位置）时，工作液体进入立柱上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。

支架的移架和推移输送机是靠操纵阀控制推移千斤顶实现的。

推移千斤顶的两端分别与支架的底座和输送机相连接。

移架时，先将支架卸载，立柱下腔回液，再将操纵阀置于下阀位（移架位置）工作液体进入推移千斤顶活塞杆腔，后腔回液，此时，支架以输送机为支点前移。

次后，再把支架撑紧在顶底板之间。

将操纵阀置于上阀位（推溜位置），工作液体进入推移千斤顶活塞腔，前腔回液，此时以支架为支点就将输送机推向煤壁。

2.支架的承载过程可分为三个阶段:
（1）初撑
操纵阀处于升架位置，高压液体经液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔排液，立柱和顶梁升起支撑顶板。

顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站工作压力，操纵阀置于中位，液控单向阀关闭，立柱下腔液体被封闭这是支架的初撑阶段。

支架对顶板产生的支撑力称为初撑力，其公式为：
2
3104c b p n KN
p D π=⨯
（2）承载
支架初撑后，进入承载阶段。

顶板缓慢下沉，顶板对支架的压力增加，立柱下腔
压力升高这是支架增阻过程。

下腔的压力超过安全阀动作压力，高压液体就经安全阀泄出，立柱下缩 立柱下腔液体压力小于安全阀动作压力，安全阀关闭，立柱工作阻力保持恒定称为恒阻过程，其公式为：
3
2410a P n KN D P π=⨯ (3) 卸载
操纵阀处于降架位置，高压液体进入立柱上腔，打开液控单向阀，立柱下腔排
这是立柱(支架)卸载下降[]11。

液压支架分类及特点:按支护方式可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式支架。

1.支撑式液压支架
支撑式液压支架以支撑为主，没有掩护梁，立柱的支撑力通过顶梁对顶板发挥作用。

根据结构形式，支撑式支架可分节式（图3-2）和垛式（图3-3）。

图3-2节式支架图 （a ） （b ）
图3-3垛式支架
（a ）四垛式支架（b ）六垛式支架
垛式支架的特点：
（1）立柱支撑力的合理作用点距煤壁较远。

立柱直立支撑，支撑效率高，切顶能力
强。

（2）采用宽面刚性顶梁。

（3）支架的通风断面大。

（4）顶梁长，控顶距大，反复支撑次数多，易造成支撑力较小，对端面顶板的支护
不利。

（5）立柱被座箱中的复位橡胶及复位千斤顶扶持，中部承受侧向力，易造成立柱弯
曲变形。

（6）相邻支架顶梁之间有200～300宽的空隙没有支护，易造成漏矸，冒落的矸石易。