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項目名稱: EBZ系列掘進(jìn)機的研制及產(chǎn)業(yè)化

申報單位: 煤炭科學(xué)研究總院山西煤機裝備有限公司

主要完成人： 王喜勝  馬健康  高  英  郝建生  王焱金  王韶蓓  徐小粵

張  國  王學(xué)成  毛繼偉  荔  軍  張夢奇  楊春海  高  偉  王炳效  

主要完成單位：煤炭科學(xué)研究總院山西煤機裝備有限公司

推薦單位：煤炭科學(xué)研究總院山西煤機裝備有限公司

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：采掘機械設(shè)備（4408520）

所屬國民經(jīng)濟行業(yè)：B類型

任務(wù)來源：自選

項目起止時間：2003年1月-2009年7月

項目簡介：懸臂式掘進(jìn)機是一種集采、裝、運、行多功能于一體的大型煤礦井下機械設(shè)備，是機、電、液多學(xué)科領(lǐng)域知識集中的一體化產(chǎn)品。懸臂式掘進(jìn)機主要用于煤礦井下巷道掘進(jìn)，是實現(xiàn)煤礦高效、安全、快速掘進(jìn)的理想裝備。本項目研制的EBZ系列掘進(jìn)機適用于煤礦煤巷、半煤巖巷及巖巷的掘進(jìn)。

    該項目針對我國現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備的不足和現(xiàn)場實際需求，主要進(jìn)行了掘進(jìn)機破巖時機器穩(wěn)定性、截割頭和截齒耐磨性及破巖能力、截割機構(gòu)內(nèi)噴霧系統(tǒng)可靠性、恒功率雙速切割機構(gòu)、液壓馬達(dá)直接驅(qū)動星輪的新型裝載機構(gòu)、高可靠性履帶行走機構(gòu)、變量泵及比例多路換向閥液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)故障診斷技術(shù)、掘進(jìn)機自動控制技術(shù)等方面的研究。目前掘進(jìn)機已形成系列化，產(chǎn)品囊括輕、中、重型各個系列。

與國內(nèi)外掘進(jìn)機相比，本項目研制的系列掘進(jìn)機具有以下特點：①適應(yīng)范圍廣，可靠性高；②掘進(jìn)速度快、安全、高效；③破巖過斷層能力強、切割振動小、工作穩(wěn)定性好；④截齒單刀力大、耐磨、刀耗??；⑤首創(chuàng)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動星輪的無減速器裝載機構(gòu)，提高了裝載機構(gòu)的可靠性；⑥首創(chuàng)無支重輪履帶行走機構(gòu)，性能可靠，維護(hù)量??；⑦在國內(nèi)外首次提出并采用恒功率雙速切割機構(gòu)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，調(diào)速方便，切割適應(yīng)性強；⑧國內(nèi)首次采用帶負(fù)載敏感控制的恒功率變量泵及比例多路換向閥液壓系統(tǒng), 系統(tǒng)效率高；⑨采用掘進(jìn)機運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及報警，信息數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)框架，實現(xiàn)可視化圖表操作；⑩采用高精度傳感器，監(jiān)測掘進(jìn)機及截割頭的位置信息，實現(xiàn)掘進(jìn)機定位導(dǎo)向和截割狀態(tài)的實時監(jiān)測和顯示。

自2003年產(chǎn)業(yè)化以來已生產(chǎn)EBZ系列掘進(jìn)機993臺，先后在平頂山煤業(yè)集團、潞安礦業(yè)集團、新汶礦業(yè)集團、淮南礦業(yè)集團、西山煤電集團責(zé)任有限公司等數(shù)十余個礦局及地方煤礦推廣應(yīng)用，在切割煤巖、半煤巖、巖石巷道中，均取得了良好的效果，獲得較好的經(jīng)濟效益，得到了用戶肯定。

項目詳細(xì)內(nèi)容

立項背景、科技內(nèi)容、特點及應(yīng)用推廣情況：

立項背景：我國是煤炭資源大國，在能源煤炭產(chǎn)量占世界的37%。煤炭是中國的主要能源，分別占一次能源生產(chǎn)和消費總量的76%和69%，在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，中國仍將是以煤為主的能源結(jié)構(gòu)。

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展、煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大，我國大型煤礦井下大都開始采用全煤巷布置開采方式，使礦井生產(chǎn)能力和自動化程度極大提高，此外采煤工作面的推進(jìn)速度也比以往快得多，因而使得煤礦井下煤巷掘進(jìn)工作量大幅度增大，對掘進(jìn)機的工作效率提出了較高的要求，客觀上要求掘進(jìn)機的工作性能要好，掘進(jìn)作業(yè)的推進(jìn)速度要快。但是綜掘機械化發(fā)展緩慢，而綜掘率僅由1980年的1.71%增加到2007年的33.14%，這嚴(yán)重制約了煤礦高效、節(jié)約、自動化開采的發(fā)展，因此盡快研制出能適應(yīng)不同巷道斷面及煤巖硬度的系列掘進(jìn)機已勢在必行。

我國煤炭儲量相當(dāng)豐富，而且煤層的分布情況各不相同，在內(nèi)蒙古厚煤層的所占的比例很大，而在四川、黑龍江、山東的薄煤層儲量均占本省煤炭儲量的50％以上，山西、河北、吉林等省的薄煤層儲量也十分豐富，且薄煤層煤炭的煤質(zhì)較好。據(jù)統(tǒng)計，2005年，全國煤礦半煤巖巷道比例已超過30％。因此急待開發(fā)研制綜合性能好，適應(yīng)范圍廣的煤巷、半煤巖巷、及巖巷掘進(jìn)機，來解決我國煤礦巷道掘進(jìn)的難題。

早在上世紀(jì)90年代中期，我院技術(shù)人員在普遍調(diào)研、分析和論證的基礎(chǔ)上，認(rèn)定開發(fā)新型掘進(jìn)機的必要性和迫切性，于1997年7月自主研發(fā)成功我國首臺EBJ-160型重型掘進(jìn)機。但是，上世紀(jì)末由于我國煤炭供大于求，行業(yè)效益下降，各煤炭企業(yè)縮減成本，造成掘進(jìn)機長時間無法大范圍推廣。進(jìn)入本世紀(jì)以后，我國煤炭工業(yè)加快推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代，實現(xiàn)減人提效的技術(shù)政策，中央和地方政府已有必要研制具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的系列化掘進(jìn)機。此項目的完成必將對促進(jìn)我國煤礦實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變，改善煤礦采掘比例失調(diào)，提高煤炭資源的利用率，促進(jìn)我國綜掘機械化的發(fā)展發(fā)揮積極作用。

科技內(nèi)容

總體思路：EBZ型系列掘進(jìn)機項目是針對煤巷、半煤巖巷、巖巷等不同的地質(zhì)條件立項的。它研究的主要內(nèi)容是提高掘進(jìn)機的破煤巖能力、工作穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)效率，并擴大它的應(yīng)用范圍，以保證該機的先進(jìn)性和實用性。在確定主參數(shù)時充分利用現(xiàn)有條件進(jìn)行試驗驗證，切割減速器按5000小時設(shè)計，液壓系統(tǒng)的設(shè)計在保證實用功能的情況下盡量簡化，元件選用留有較大的裕度，機械、液壓、電器元件的選用原則是擇優(yōu)選用，立足國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，力求技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量穩(wěn)定，關(guān)鍵軸承、密封件選用進(jìn)口。在整個設(shè)計過程中，嚴(yán)格設(shè)計程序和責(zé)任制，努力貫徹國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及本企業(yè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，盡量提高及標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，減速器的計算、截割頭的截尺和重要元件的強度、剛度計算均采用CAD方法。

設(shè)計準(zhǔn)則：（1）EBZ型系列掘進(jìn)機的主要服務(wù)對象為煤礦井下各種類型的掘進(jìn)巷道，考慮到我國煤層賦存地質(zhì)構(gòu)造的多樣性和復(fù)雜性，將機器的適應(yīng)性與可靠性擺在首位，采用現(xiàn)代設(shè)計手段，通過引進(jìn)新技術(shù)和新部件實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。結(jié)合對國內(nèi)大多數(shù)煤、半煤巖巷及巖巷掘進(jìn)的工藝、現(xiàn)有各主力機型使用水平以及加工制造能力等充分調(diào)研，提高產(chǎn)品設(shè)計水平。

（2）積多年開發(fā)研制掘進(jìn)機的設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，制定了一系列設(shè)計準(zhǔn)則，并制定了《設(shè)計任務(wù)指導(dǎo)書》。

（3）機械、液壓、電器元件是擇優(yōu)選用，主要立足國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家，力求技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量性能穩(wěn)定，并經(jīng)實踐驗證的產(chǎn)品，如達(dá)不到設(shè)計要求，選用進(jìn)口的同類產(chǎn)品，以保證它的承載能力和穩(wěn)定性。

（4）各傳動件都是按其具體工況專門設(shè)計，齒輪選用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，減速器設(shè)計壽命5000h。

（5）液壓系統(tǒng)的設(shè)計在保證使用功能的情況下盡量簡化，元件選用留有較大的裕度。

（6）本項目在研究、試制及實驗階段完全執(zhí)行最新的國家和行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

研究目標(biāo)和內(nèi)容：EBZ系列掘進(jìn)機是為煤礦采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)服務(wù)的機械設(shè)備，主要針對不同煤巖硬度的巷道掘進(jìn)立項的，它研究內(nèi)容的核心是滿足不同類型掘進(jìn)機在截割不同斷面巷道時，實現(xiàn)高截割效率，高可靠性并擴大它的適應(yīng)性。本項目研究的目標(biāo)是研制適應(yīng)各種地質(zhì)條件的系列掘進(jìn)機。本項目的主要研究內(nèi)容包括：

（1）提高掘進(jìn)機破巖時機器穩(wěn)定性的研究。

首次提出最大重量體積比的掘進(jìn)機設(shè)計理論。采用現(xiàn)代設(shè)計方法，應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)和試驗分析手段，實現(xiàn)最大的質(zhì)量體積比。使該機具有較小的外廓尺寸，且能適應(yīng)大斷面巷道，并有效地通過斷層，截割時具有很好的整機穩(wěn)定性。這是本項目研究設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。

（2）截割性能及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

截割機構(gòu)是掘進(jìn)機的工作機構(gòu)，對掘進(jìn)機的整機性能影響巨大。為了適應(yīng)不同的截割工況，研制出了恒功率雙速截割機構(gòu)、橫扭矩截割機構(gòu)、伸縮截割機構(gòu)等各種不同的截割機構(gòu)。同時，通過在截割試驗臺上進(jìn)行大量的假巖壁切割試驗，對截割工況參數(shù)進(jìn)行深入的理論分析，以確定在切割不同硬度巖石條件下的截割載荷、牽引力、截深和切屑厚度等截割參數(shù)，使系列掘進(jìn)機獲得最佳切割性能。

（3）高效裝運機構(gòu)的研究

針對傳統(tǒng)裝載機構(gòu)故障率的問題，研制出了低速大扭矩馬達(dá)直徑驅(qū)動星輪的新型裝載機構(gòu)，使裝載機構(gòu)故障率下降90％以上，同時，對星輪裝載機構(gòu)的外形形狀、尺寸、星輪轉(zhuǎn)速等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了試驗研究。并對它與運輸機速度和功率分配等關(guān)系進(jìn)行研究，提高其裝運效率。為了提高星輪裝載機構(gòu)的自裝能力，研制出了刮板機改向鏈輪前置的新型裝載機構(gòu)，提高了星輪裝載機構(gòu)的自裝效率。

（4）主要結(jié)構(gòu)件可靠性的研究

EBZ型系列掘進(jìn)機根據(jù)其工況特點及外形尺寸等限制條件，將現(xiàn)代設(shè)計手段與傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合，對主要受力結(jié)構(gòu)件，如機架、切割電機機座、履帶架、回轉(zhuǎn)耳架等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高它們在各種不同工況下的可靠性。

（5）帶負(fù)載敏感控制的恒功率變量泵及比例多路換向閥液壓系統(tǒng)的研究

EBZ系列掘進(jìn)機重型機液壓系統(tǒng)采用帶負(fù)載敏感控制的恒功率變量泵和比例多路換向閥等新元部件，在液壓系統(tǒng)功率基本不變的前提下，通過提高系統(tǒng)壓力，采用進(jìn)口高壓低速大扭矩馬達(dá)，有效的提高了液壓系統(tǒng)的過載能力，更好的適應(yīng)了掘進(jìn)機的工況。

（6）液壓系統(tǒng)可靠性的研究

采用了AMESim計算機輔助分析軟件對本機液壓系統(tǒng)及其元件進(jìn)行了動態(tài)仿真分析，使掘進(jìn)機液壓系統(tǒng)的設(shè)計由原來的滿足功能設(shè)計進(jìn)入到多方面綜合設(shè)計階段，極大的提高液壓可靠性，也為提高掘進(jìn)機的截割提供了有力的支持。

（7）電氣故障診斷系統(tǒng)的研究

  電控系統(tǒng)采用中文液晶顯示器和PLC相結(jié)合，完成故障診斷功能。通過PLC軟件設(shè)計，分別顯示不同內(nèi)容，實現(xiàn)了較完善的故障診斷功能，不僅能指出故障類型，還能對故障進(jìn)行簡單的分析，指出故障原因。為判斷和處理故障提供了很大方便。

性能與特點：（1）EBZ系列掘進(jìn)機結(jié)構(gòu)緊湊，布置合理，實現(xiàn)最大的質(zhì)量體積比，工作穩(wěn)定性好；

（2）不同型號的掘進(jìn)機可適應(yīng)不同煤巖硬度，而且可以適用巷道斷面的大小，適應(yīng)性好；

（3）履帶板采用了軍工制造工藝，為整體鑄造，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性大幅度提高。

（4）用PLC控制技術(shù)，減少了電氣故障，設(shè)置了故障顯示功能，可在不斷電不開蓋的情況下，初步判斷故障點的部位，系統(tǒng)的保護(hù)功能使用而齊全；

（5）重型掘進(jìn)機液壓系統(tǒng)采用帶負(fù)載敏感控制的恒功率變量泵及比例多路換向閥的變量系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)發(fā)熱，輕型掘進(jìn)機采用齒輪泵定量液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便、易懂；

（6）油箱里設(shè)有多個熱交換器，增加了散熱面積和容積，采用兩級過濾系統(tǒng)，增設(shè)了自動加油裝置，以避免開箱加油造成油液的污染，大大提高了系統(tǒng)的可靠性；

（7）半煤巖巷掘進(jìn)機采用恒功率雙速切割機構(gòu)徹底改變了以往掘進(jìn)機為保持恒功率輸出所采用的機械變速方式。在切割半煤巖巷的同一斷面上，遇煤切割頭轉(zhuǎn)速升高，遇巖切割頭轉(zhuǎn)速降低，而輸出扭矩、切割單刀力相應(yīng)增大一倍，這一創(chuàng)新使切割效率最大化；

（8）將錨桿鉆臂系統(tǒng)與掘進(jìn)機集成于一體，實現(xiàn)了綜掘工作面錨桿孔鉆進(jìn)和錨桿安裝的機械化作業(yè)，極大的提高錨護(hù)效率，減少輔助作業(yè)時間，提高錨護(hù)效率并減少了作業(yè)人員數(shù)量，提高了錨護(hù)作業(yè)的安全性。

發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：（1）首次提出最大重量體積比的設(shè)計理論，提高了整機的截割穩(wěn)定性；

（2）應(yīng)用自主開發(fā)的截割力學(xué)性能優(yōu)化軟件，對截割機構(gòu)鉸點位置進(jìn)行優(yōu)化，使工作中截割牽引力變化幅度較小，提高了整機的截割穩(wěn)定性；

（3）在國內(nèi)外首次提出并采用恒功率雙速切割機構(gòu)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，調(diào)速方便，切割適應(yīng)性強；

（4）首創(chuàng)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動星輪的新型裝載機構(gòu)，有效降低了整機故障；

（5）研制出刮板機改向鏈輪前置的新型裝載機構(gòu)，提高了裝運效率；

（6）國內(nèi)首次采用帶負(fù)載敏感控制的恒功率變量泵及比例多路換向閥液壓系統(tǒng), 系統(tǒng)效率高；

（7）采用液壓調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)了履帶行走機構(gòu)的無級調(diào)速，行走速度可根據(jù)負(fù)載大小自動調(diào)節(jié)，提高了掘進(jìn)機效率。

應(yīng)用情況：自2003年產(chǎn)業(yè)化以來已生產(chǎn)EBZ系列掘進(jìn)機993臺，先后在平頂山煤業(yè)集團、潞安礦業(yè)集團、新汶礦業(yè)集團、淮南礦業(yè)集團、西山煤電集團責(zé)任有限公司等數(shù)十余個礦局及地方煤礦推廣應(yīng)用，在切割煤巖、半煤巖、巖石巷道中，均取得了良好的效果，獲得較好的經(jīng)濟效益，

其中EBJ-120TP型掘進(jìn)機在切割煤巖單向抗壓強度≤60MPa的半煤巖巷道中，最高日進(jìn)尺35m，最高月進(jìn)尺650m，截齒消耗僅為每立方米0.001把；EBZ160TY連續(xù)切割巖石硬度為70～87MPa，巖石比例47％的半煤巖巷道2200米，最高日進(jìn)尺25米，最高月進(jìn)尺512米，證明該機真正具備可經(jīng)濟切割≤80MPa半煤巖巷能力；EBZ220TY型掘進(jìn)機在巖石硬度為f8～9的巖巷中掘進(jìn)，達(dá)到月進(jìn)尺210m，達(dá)到國際先進(jìn)水平，取得較好的經(jīng)濟效益，得到用戶一致肯定。

經(jīng)濟效益：EBZ系列掘進(jìn)機研制成功以來，已累計生產(chǎn)993臺，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，自2003年以來，年產(chǎn)值與利稅穩(wěn)步上升，2009年達(dá)到4.5億元以上。其中，三種主要機型EBJ-120TP、EBZ160TY、EBZ220TY產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大：

EBJ-120TP型掘進(jìn)機銷售價格180萬元，試驗成功至今，累計簽訂銷售合同803臺，新增銷售收入14.454億元。

EBZ160TY型掘進(jìn)機銷售價格315萬元，試驗成功至今，累計簽訂銷售合同114臺，新增銷售收入3.591億元。

EBZ220TY型掘進(jìn)機銷售價格485萬元，試驗成功至今，累計簽訂銷售合同23臺，新增銷售收入1.115億元。

社會效益：本項目EBZ系列掘進(jìn)機的研制成功，進(jìn)一步提高我國掘進(jìn)機的研究制造水平，對提高我國煤炭行業(yè)的綜掘機械化程度，提高煤礦企業(yè)的勞動生產(chǎn)率及緩解采掘比例失調(diào)，提高綜掘工作面的生產(chǎn)安全以避免不必要的人員和財產(chǎn)損失具有積極的促進(jìn)作用，是我國煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)、高效集約化生產(chǎn)較理想的掘進(jìn)機械設(shè)備。

同時，掘進(jìn)機的加工制造和液壓、電氣元部件的使用，也給相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來了發(fā)展機遇，為大型煤機加工企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級改造起到了良好的促進(jìn)作用，同時也為社會提供了良好的就業(yè)機會，給合作廠家?guī)磔^好的經(jīng)濟效益，對促進(jìn)地方經(jīng)濟的發(fā)展有著十分重要的意義，其社會效益十分顯著。

獲獎情況：2003年榮獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會“EBJ-120TP型掘進(jìn)機特等獎”；

2004年榮獲國務(wù)院“EBJ-120TP型掘進(jìn)機國家科學(xué)進(jìn)步二等獎”；

2007年榮獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會“EBZ-160TY型掘進(jìn)機煤炭工業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步二等獎”。

專利情況：1.一種恒功率雙速電機驅(qū)動的煤巖截割裝置項目成功榮獲國家專利號（中國實用新型ZL 2005 2 0135464.X）。

2.一種無支重輪的履帶式行走裝置項目成功榮獲國家專利號： 中國實用新型ZL 2008 2 0076309.9。

3.一種采煤掘進(jìn)機的暢通式裝載裝置項目成功榮獲國家專利號: 中國實用新型ZL 2008 2 0076449.6。

4.一種采煤掘進(jìn)機的快速補油裝置項目成功榮獲國家專利號:  中國實用新型ZL 2008 2 0076520.0。

5. 一種帶空濾器的掘進(jìn)機截割伸縮裝置項目成功榮獲國家專利號：中國實用新型ZL 2008 2 0077520.2。

6.一種無支重輪的履帶式行走裝置項目成功榮獲國家專利號：中國200810054538.5；發(fā)明(已受理)。

7.一種采煤掘進(jìn)機的暢通式裝載裝置項目成功榮獲國家專利號:中國200810054611.9;發(fā)明(已受理)。