項目名稱: EBZ系列掘進機的研制及產(chǎn)業(yè)化
申報單位: 煤炭科學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：煤炭科學研究總院山西煤機裝備有限公司
推薦單位：煤炭科學研究總院山西煤機裝備有限公司
專業(yè)（學科）分類名稱代碼：采掘機械設備（4408520）
所屬國民經(jīng)濟行業(yè)：B類型
任務來源：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備，是機、電、液多學科領域知識集中的一體化產(chǎn)品。懸臂式掘進機主要用于煤礦井下巷道掘進，是實現(xiàn)煤礦高效、安全、快速掘進的理想裝備。本項目研制的EBZ系列掘進機適用于煤礦煤巷、半煤巖巷及巖巷的掘進。
該項目針對我國現(xiàn)有掘進設備的不足和現(xiàn)場實際需求，主要進行了掘進機破巖時機器穩(wěn)定性、截割頭和截齒耐磨性及破巖能力、截割機構內(nèi)噴霧系統(tǒng)可靠性、恒功率雙速切割機構、液壓馬達直接驅動星輪的新型裝載機構、高可靠性履帶行走機構、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、掘進機自動控制技術等方面的研究。目前掘進機已形成系列化，產(chǎn)品囊括輕、中、重型各個系列。
與國內(nèi)外掘進機相比，本項目研制的系列掘進機具有以下特點：①適應范圍廣，可靠性高；②掘進速度快、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、刀耗小；⑤首創(chuàng)液壓馬達直接驅動星輪的無減速器裝載機構，提高了裝載機構的可靠性；⑥首創(chuàng)無支重輪履帶行走機構，性能可靠，維護量??；⑦在國內(nèi)外首次提出并采用恒功率雙速切割機構，具有自主知識產(chǎn)權，調速方便，切割適應性強；⑧國內(nèi)首次采用帶負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)測掘進機及截割頭的位置信息，實現(xiàn)掘進機定位導向和截割狀態(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、西山煤電集團責任有限公司等數(shù)十余個礦局及地方煤礦推廣應用，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。
項目詳細內(nèi)容
立項背景、科技內(nèi)容、特點及應用推廣情況：
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%，在未來相當長的時期內(nèi)，中國仍將是以煤為主的能源結構。
隨著采煤技術的發(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速度也比以往快得多，因而使得煤礦井下煤巷掘進工作量大幅度增大，對掘進機的工作效率提出了較高的要求，客觀上要求掘進機的工作性能要好，掘進作業(yè)的推進速度要快。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不同巷道斷面及煤巖硬度的系列掘進機已勢在必行。
我國煤炭儲量相當豐富，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，適應范圍廣的煤巷、半煤巖巷、及巖巷掘進機，來解決我國煤礦巷道掘進的難題。
早在上世紀90年代中期，我院技術人員在普遍調研、分析和論證的基礎上，認定開發(fā)新型掘進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型重型掘進機。但是，上世紀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，造成掘進機長時間無法大范圍推廣。進入本世紀以后，我國煤炭工業(yè)加快推進技術進步，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代，實現(xiàn)減人提效的技術政策，中央和地方政府已有必要研制具有獨立知識產(chǎn)權的系列化掘進機。此項目的完成必將對促進我國煤礦實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式的轉變，改善煤礦采掘比例失調，提高煤炭資源的利用率，促進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型系列掘進機項目是針對煤巷、半煤巖巷、巖巷等不同的地質條件立項的。它研究的主要內(nèi)容是提高掘進機的破煤巖能力、工作穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)效率，并擴大它的應用范圍，以保證該機的先進性和實用性。在確定主參數(shù)時充分利用現(xiàn)有條件進行試驗驗證，切割減速器按5000小時設計，液壓系統(tǒng)的設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，力求技術先進，質量穩(wěn)定，關鍵軸承、密封件選用進口。在整個設計過程中，嚴格設計程序和責任制，努力貫徹國家標準、行業(yè)標準及本企業(yè)專業(yè)標準，盡量提高及標準化系數(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。
設計準則：（1）EBZ型系列掘進機的主要服務對象為煤礦井下各種類型的掘進巷道，考慮到我國煤層賦存地質構造的多樣性和復雜性，將機器的適應性與可靠性擺在首位，采用現(xiàn)代設計手段，通過引進新技術和新部件實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設計。結合對國內(nèi)大多數(shù)煤、半煤巖巷及巖巷掘進的工藝、現(xiàn)有各主力機型使用水平以及加工制造能力等充分調研，提高產(chǎn)品設計水平。
（2）積多年開發(fā)研制掘進機的設計經(jīng)驗和技術積累的基礎上，制定了一系列設計準則，并制定了《設計任務指導書》。
（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，力求技術先進，質量性能穩(wěn)定，并經(jīng)實踐驗證的產(chǎn)品，如達不到設計要求，選用進口的同類產(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計，齒輪選用優(yōu)質低碳合金鋼，減速器設計壽命5000h。
（5）液壓系統(tǒng)的設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)有關標準。
研究目標和內(nèi)容：EBZ系列掘進機是為煤礦采準巷道掘進服務的機械設備，主要針對不同煤巖硬度的巷道掘進立項的，它研究內(nèi)容的核心是滿足不同類型掘進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性。本項目研究的目標是研制適應各種地質條件的系列掘進機。本項目的主要研究內(nèi)容包括：
（1）提高掘進機破巖時機器穩(wěn)定性的研究。
首次提出最大重量體積比的掘進機設計理論。采用現(xiàn)代設計方法，應用虛擬樣機技術和試驗分析手段，實現(xiàn)最大的質量體積比。使該機具有較小的外廓尺寸，且能適應大斷面巷道，并有效地通過斷層，截割時具有很好的整機穩(wěn)定性。這是本項目研究設計的關鍵內(nèi)容。
（2）截割性能及結構的優(yōu)化設計研究
截割機構是掘進機的工作機構，對掘進機的整機性能影響巨大。為了適應不同的截割工況，研制出了恒功率雙速截割機構、橫扭矩截割機構、伸縮截割機構等各種不同的截割機構。同時，通過在截割試驗臺上進行大量的假巖壁切割試驗，對截割工況參數(shù)進行深入的理論分析，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)，使系列掘進機獲得最佳切割性能。
（3）高效裝運機構的研究
針對傳統(tǒng)裝載機構故障率的問題，研制出了低速大扭矩馬達直徑驅動星輪的新型裝載機構，使裝載機構故障率下降90％以上，同時，對星輪裝載機構的外形形狀、尺寸、星輪轉速等技術參數(shù)進行了試驗研究。并對它與運輸機速度和功率分配等關系進行研究，提高其裝運效率。為了提高星輪裝載機構的自裝能力，研制出了刮板機改向鏈輪前置的新型裝載機構，提高了星輪裝載機構的自裝效率。
（4）主要結構件可靠性的研究
EBZ型系列掘進機根據(jù)其工況特點及外形尺寸等限制條件，將現(xiàn)代設計手段與傳統(tǒng)經(jīng)驗設計相結合，對主要受力結構件，如機架、切割電機機座、履帶架、回轉耳架等進行優(yōu)化設計，以提高它們在各種不同工況下的可靠性。
（5）帶負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系列掘進機重型機液壓系統(tǒng)采用帶負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，采用進口高壓低速大扭矩馬達，有效的提高了液壓系統(tǒng)的過載能力，更好的適應了掘進機的工況。
（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)及其元件進行了動態(tài)仿真分析，使掘進機液壓系統(tǒng)的設計由原來的滿足功能設計進入到多方面綜合設計階段，極大的提高液壓可靠性，也為提高掘進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相結合，完成故障診斷功能。通過PLC軟件設計，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系列掘進機結構緊湊，布置合理，實現(xiàn)最大的質量體積比，工作穩(wěn)定性好；
（2）不同型號的掘進機可適應不同煤巖硬度，而且可以適用巷道斷面的大小，適應性好；
（3）履帶板采用了軍工制造工藝，為整體鑄造，結構簡單，可靠性大幅度提高。
（4）用PLC控制技術，減少了電氣故障，設置了故障顯示功能，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)的保護功能使用而齊全；
（5）重型掘進機液壓系統(tǒng)采用帶負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，輕型掘進機采用齒輪泵定量液壓系統(tǒng)，結構簡單，使用維護方便、易懂；
（6）油箱里設有多個熱交換器，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）半煤巖巷掘進機采用恒功率雙速切割機構徹底改變了以往掘進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，遇煤切割頭轉速升高，遇巖切割頭轉速降低，而輸出扭矩、切割單刀力相應增大一倍，這一創(chuàng)新使切割效率最大化；
（8）將錨桿鉆臂系統(tǒng)與掘進機集成于一體，實現(xiàn)了綜掘工作面錨桿孔鉆進和錨桿安裝的機械化作業(yè)，極大的提高錨護效率，減少輔助作業(yè)時間，提高錨護效率并減少了作業(yè)人員數(shù)量，提高了錨護作業(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計理論，提高了整機的截割穩(wěn)定性；
（2）應用自主開發(fā)的截割力學性能優(yōu)化軟件，對截割機構鉸點位置進行優(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，具有自主知識產(chǎn)權，調速方便，切割適應性強；
（4）首創(chuàng)液壓馬達直接驅動星輪的新型裝載機構，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，提高了裝運效率；
（6）國內(nèi)首次采用帶負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）采用液壓調速技術，實現(xiàn)了履帶行走機構的無級調速，行走速度可根據(jù)負載大小自動調節(jié)，提高了掘進機效率。
應用情況：自2003年產(chǎn)業(yè)化以來已生產(chǎn)EBZ系列掘進機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、西山煤電集團責任有限公司等數(shù)十余個礦局及地方煤礦推廣應用，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型掘進機在切割煤巖單向抗壓強度≤60MPa的半煤巖巷道中，最高日進尺35m，最高月進尺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，最高日進尺25米，最高月進尺512米，證明該機真正具備可經(jīng)濟切割≤80MPa半煤巖巷能力；EBZ220TY型掘進機在巖石硬度為f8～9的巖巷中掘進，達到月進尺210m，達到國際先進水平，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系列掘進機的研制成功，進一步提高我國掘進機的研究制造水平，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，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)較理想的掘進機械設備。
同時，掘進機的加工制造和液壓、電氣元部件的使用，也給相關產(chǎn)業(yè)帶來了發(fā)展機遇，為大型煤機加工企業(yè)的技術進步和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級改造起到了良好的促進作用，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型掘進機特等獎”；
2004年榮獲國務院“EBJ-120TP型掘進機國家科學進步二等獎”；
2007年榮獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會“EBZ-160TY型掘進機煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步二等獎”。
專利情況：1.一種恒功率雙速電機驅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)。
