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在综采设备和机液传动的实践中追求自主原创之梦

【字体:   作者:毛开友    文章来源:毛开友    点击数:    更新时间:2013-7-22

 

西安科技大学老教授协会  毛开友

心若在,梦就在,快乐大半生,从头再来!

一、掘进机和采煤机的创新之梦——切楔式履带式采煤机和切楔式轮斗式掘进机

人类的发展首先是生产工具,综合机械化采煤的生产工具,就是掘进机和采煤机。英国1951年创造了钻削式采煤机,以切楔式切割原理,生产大块煤,但结构很复杂。英国于1952年创造了鼓形滚筒式采煤机,于1963年又发展成为螺旋滚筒式,滚筒式是一刀一刀的切割煤岩,生产的是小块煤。但螺旋滚筒式采煤机因简单可靠发展至今,创造了巨大的经济效益。当时英、苏联、德、美、法、日、中等国已研制出30多种采煤机的切割机构,其中一些是切割性能较好,但结构复杂,或传动效率低而不再使用了。

1942年苏联格洛金工程师提出了单位能耗(千瓦小时/吨;千瓦小时/3)的概念及试验,现代称比能耗或比功率。1966年苏联保晋教授提出切割机构和采掘机械的最佳切割是比能耗最小的观点。对于螺旋滚筒人们也一直在追求着低能耗、大块煤和降尘。我已将国内外研制的十种大块煤螺旋滚筒汇总于一表:如优化参数和截齿排列,其效果不甚明显;如增加助割机构:附加盘形滚刀(苏联、波兰、德国)其效果明显,但结构太复杂;附加高压水细射流,其生产率提高,能切割更硬的煤岩,降尘效果很好,但比能耗很高。实践对比的结果还是普通的(或经过截齿优化排列的)螺旋滚筒使用最广泛。加上成本和市场因素对螺旋滚筒的突破很难。我们参与的实践创新和挑战的项目是:

1、高压水脉冲细射流采煤机的研制:上世纪70年代中期受美国王逢旦教授的影响,在全国煤炭行业掀起了一股高压水细射流配置在掘进机和采煤上,以提高生产率和降尘。一省煤矿研究所和西科大承担了此项目的科研,它属于煤炭工业部和国家重大项目,197810月我为此项目领导小组成员。19797月我经过调研和简单的破煤试验,提出了以生产率很低为由而“否定”此项目的学术报告,1982年在京西矿务局杨垞煤矿试验,尽管水炮的威力很大(细射流压力高达5000巴)和降尘效果很好,但因生产率非常低和水炮很不安全,而未继续研制。其探索和实践有重要的价值:连续式细射流比能耗很高,但脉冲式细射流生产率很低。

2、低速强力轮斗式工作机构的研究:1981年发表了《双斗轮采煤机的初步设想》的论文。当时美国英格索兰公司研制出直线切割式连续采煤机,滚筒转速10/分,切割速度1.25/秒,可避免瓦斯引燃或爆炸,10年之后于1990年报导:中等块煤大为增加,切割力降低20%,粉尘减少了50%,呼吸性煤尘减少了95%。美国于1983年报导,在美国夸托煤矿进行了高速和低速切割的对比试验,与直线切割式的结论是一致的。但螺旋滚筒的低速下限在20/分左右,于是产生了低速装卸功能好的轮斗可作为工作机构的创新思路。我们通过对轮斗挖掘机现场调研,指导本科和研究生的毕业论文,完成了轮斗的振动卸载试验,于1993年发表了国际论文,1997年列为煤炭工业部科学基金项目,任课题组负责人。还发表了轮斗式掘进机的论文,可取消掘进机现有的装载机构,首次实现掘进机的切割与装卸合一。现在看来,对于厚煤层或特厚煤层来讲,轮斗式切割装卸机构的确是一种性能良好的工作机构。

3、振动截割式掘进机的研制:这是中国和俄罗斯政府合作项目,任课题负责人之一。1991年赴苏联访问进行学术交流和讲学时同苏联图拉工学院签订了该项目协议书,19923月国家外国专家局批准为引智专项,19932月同南京晨光机器厂合作,随后在煤炭工业部、国家科委、两国政府立项。俄罗斯两教授两次来华合作,我们也派人四次去俄罗斯交流。振动截割原理是以较小的功率,以行星传动的偏心锤产生较大的惯性振动冲击力,使原来的掘进机的切割力增大一倍左右,振动频率约40赫芝,其机器的外形体积不变,能切割更硬的煤岩,提高生产率约40%和降低比能耗约40%。经过75KW样机的设计、制造及工业性试验,于19987月部级评议为“国内首创”和达到“国际先进水平”。又经过75KW新产品研制,获中国和南非共和国发明专利,为西科大第一发明人。该产品为目前世界上唯一新产品,已销售60多台(约150万元/台),并出口南非。产值可达1.5亿元以上(包括配件)。2002年获陕西省煤炭工业局的“十大科技成果”奖,以后未申报发明奖。19999月到20032月,132KW振动式掘进机的研制,是又一新产品。该项目厉时十年的再创造。2008年合作的《变频振动机构》属自主原创性。近年来江苏巨鹰机械公司也生产了90kw132kw的振动掘进机,振动切割技术得到了进一步的发展。

4、切楔振动式掘进机研制:20119月同江苏巨鹰机械公司合作,申报并受理的发明专利(第一发明人)为自主原创,将是新一代掘进机。201210月进行了样机试验。这是不同于切割式螺旋滚筒一刀一刀地切割,而是切楔的煤块从煤体中强度最弱的裂缝处劈落。西德将切楔盘式同螺旋滚筒式的采煤机进行了对比试验:盘式采煤机的块度大于50毫米的可增加50%0.5毫米以下的粉煤可减少3040%,煤尘减少2535%,生产率提高25%1981年试验时生产率可提高54%,显然比能耗也明显地降低。但装煤时叶片将煤从扇形盘的缺口抛出,装煤效果差,同时切楔的顶底板不平。1978年发表了《截楔式螺旋滚筒式工作机构的设想》,1983年列为煤炭部长基金项目。19855月张大伟等学生在铜川金华山煤矿进行了简易试验,煤块很大。太原理工大学贾喜荣教授于1997年在阳泉南庄煤矿进行了盘式采煤机试验,基本成功,煤的块度明显提高。我们将切楔破煤原理应用到掘进机上,装载用已有的装载机构,铲煤板装齿可铲平底板,采用连续采煤机的横轴式传动,正面切楔,上下摆动调高,这是一个全新的掘进机。此掘进机若成功,可改为双切楔头,将成为生产率更高的履带式采煤机。

通过上述几种新的切割机构的实验和对比,经历了36年之久,由水炮的炸裂、低速强力的直线式和轮斗式切割,到振动切割,与此同时到切楔劈裂,有失败、有成功、坚持不断探索、不断创新。基于煤岩最易从裂缝破碎的破煤原理,终于找到了简单可靠的切楔振动式切割机构。那么我们的概念创新的掘进机和采煤机:对于大切楔头因转速低,切楔与轮斗(侧卸式)相组合;对于小切楔头因转速高可采用切楔式与螺旋滚筒式相结合,也可与轮斗式(后卸式)相结合。切楔式的推进力(牵引力)因大幅度降低,这给长壁工作面的履带式采煤机提供了可能,履带式采煤机与现代采煤大不相同,用履带代替现代采煤机的150250米长的牵引齿轨(约12002000个齿)。采煤机不骑在输送机上,而在底板上行走,爬坡能力一般可达400,最大可达600(台湾坦克,2012.10)。

二、挑战和创新综采设备之梦—节能和力平衡的综采设备

1954年英国创建了世界第一个综合机械化采煤工作面,这是煤炭工业的一次技术革命。20世纪90年代美、德、英等实现一矿一面(或二面)的综采生产高度集中化,这是一次重大的技术革新。这两个里程碑经历了60年,但这套设备的基本工作原理和机器配套基本上没有变化。现代采煤机、掘进机仍然是一刀一刀切割,机器受力很不平衡,尤其是机器功率大幅度的增大,受力不平衡有恶化的趋势。切割速度的过分的增大,使煤尘增加,瓦斯引燃及爆炸的危险性增多。

1980年苏联巴洛夫尼夫的著作中提出机器的技术经济综合效益评价指标Q

 

式中    PPs—功率、比功率;GGs—重量、比重量;

Q—机器生产率,m3/h

QPG是评价机器的效益,是优化指标的依据,该值越低,效益越高。比功率或比能耗越小,生产率越高,比能耗最小同样是机器最优化的指标。例如我国的天河二号计算机的计算速度世界第一,在相同计算速度时,比能耗比天河一号下降了三倍。对于综采设备比能耗最小是最佳指标,它伴随着块煤率更高,煤尘更小,生产率更高,效率更高,这符合节能、环保、安全、高产高效的绿色开采。这一概念创新的综采设备在技术方面所采取的新思路是:

1、采煤机:在长壁工作面上采取先进的单向采煤方法,为了节能由上向下采煤。采煤机无切口开采,取消斜切式开切口,以工作面两端的中间平巷为切口(巷道宽度46米)。这就要求将现代采煤机两滚筒的水平中心距10多米变成5米左右,俄罗斯的K88э型大功率电牵引采煤机的两滚筒水平中心距为3.18米,总长4.78米,但摇壁迴转中心都在机身中部,对于我们提出的履带式采煤机的两个工作头都在采煤机的一头,中心也要在中部。采煤机不使用斜切法开切口,这不仅提高了生产率,也避免了由此产生的机器受力的恶化。履带式采煤机是正面切割,受力较平衡。对于现代采煤机只能侧面切割,两工作头在两头,受力很不平衡。若将老塘侧的牵引齿轨(已埋在煤中)移到煤壁侧,可大大地改善采煤机受力的平衡状态。采煤机的变频器的功率,若采用双流差动传动,以小功率控制大功率变频,变频器功率可减小一半,可降低成本并明显地提高变频器的可靠性。我校学报于1987年第5期发表了《双流传动中分流的合理性和环流的实用性》论文,曾被南方某一采煤机研究所采用并提供了资料,他们作了方案图设计。2001年《煤矿机电》第5期登载了这一技术应用到大型带式输送机的软起动装置上。采煤机的自动调高,从1966年英国用γ射线装置来识别煤岩界面的研究,至今有20多种识别技术,目前应用较多的是西德的记忆程序装置,其次是γ射线装置。前者不如后者准确,后者只适用于页岩。对于大面积高低不平的顶板的随机变化规律很难在线测准,最后却又被一架一架的顶梁的平面所简化,倒不如用液压支架顶梁的高低变化作为自动调高的输入信号,更直接、更简便。

2、掘进机:切楔振动式掘进机正在研制之中,前面已述。

3、液压支架:取消四连杆机构,1964年苏联发明的掩护式液压支架中采用了四连杆机构,顶板来压使支架下沉,梁端运动轨迹是“S”线,并不是常讲的双扭线。顶板相对顶梁摩擦而产生水平力,这个力很大,是工作阻力的1/3。由它产生的“S”轨迹而产生的水平力,最后又由它来承载,真是“自讨苦吃”,但也能起到稳定支架的作用。为此波兰和西德为了减轻支架重量,在不取消四连杆机构的前提下,作了一些改进,我们干脆取了四连杆机构,支架的稳定可采用过去的复位(扶直)装置,掩护梁用一油缸支撑和控制。苏联将四连杆机构用在破碎顶板下的掩护式支架是对的,但日本用在支撑掩护式就有上述问题了。199612月莫斯科矿业大学校长助理拉切克教授、院士访问我校,讲到特厚煤层液压支架,下部一半是框架的底座,上部一半才是液压支架。

三、追求很简单的高效率大功率的圆齿行星减速器之梦

19923月到19973月《星齿传动》项目在煤炭部立项,当时我负责立项、争取经费、专利设计人之一,完成了星齿设计及试验,指导研究生。当时星齿传动是以西安减速机厂的摆线针轮减速器为基型而改装的,加工了2.2-5.5KW的四个样机,仅仅是将摆线齿改为圆齿,不需要摆线机床加工,并未解决此减速器的两大薄弱环节。圆齿的结构开始采用针齿结构,结构复杂,后来改为圆齿埋在半圆座内,结构简单。摆线齿改为圆齿是借鉴于丹麦摆线油马达的摆线齿是由圆弧替代的技术,半埋式也是油马达的结构。几个公司生产销售。我们没有急于转让技术成果。19944月我们重新组建了课题组,我任负责人之一,主持研制第四个样机,圆齿啮合按指导的研究生所得的优化参数来设计,由西安煤机厂加工,桃园煤矿进行了一年的工业性试验,获得成功。《星齿传动》获得了煤炭工业部的“新中国第一”的称号。

19975月到20017月,我们同南京晨光公司合作研制75kw大功率圆齿行星减速器,与上述四个样机大不相同,是按星齿传动专利技术重新设计的,内齿圈和行星轮上的圆齿均按半埋式结构,结构更简单了。圆齿与输出机构的圆柱销合二为一。将行星轮上的销孔转移到输出轴盘上,销与销孔反装,这是独一无二的结构,反向思维的结果。关键在于行星轮上无销孔,大大地增大了转臂轴承的直径,加大了销的分布圆直径,还加了均载环,很明显地提高了转臂轴承和销的强度和寿命,解决了上述两大薄弱环节。至今渐开线齿轮、摆线针轮和渐开线少齿差的行星减速器中的行星轮的轴承寿命相当短的问题尚未解决。20017月圆齿行星减速器样机试验,基本成功。20004月获世界发明家国际协会颁发的“国际发明金奖”。

国内外活齿行星减速器专利多为内啮合,我们将上述外啮合传动改为内啮合传动,这样就取消了内齿圈上数十个圆齿,又使结构大大简化。2003115日获《圆形活齿行星减速器》专利,为第一设计人,2006年该专利技术列为省教育厅科研项目。此专利与NGW行星减速器比较,前者只用3个齿轮,后者需10-14个齿轮,结构简单多了。

活齿必有导向的机构,如果取消导向机构(多为滑动或半滚半滑),以一体化新理念来思考,依靠自身导向就更科学,变滑动为滚动,这就是啮合和输出机构的圆形化和滚动化的巧妙结合,明显地提高了传动效率,适用于大功率传动,将申报发明专利。如果圆齿再与轴承合二为一,那将是最简单的,而参数关系又是相当复杂的,难以权衡出更好的性能。

四、开发高水基液压元件和系统之梦

液压传动常用石油基液压油,属易燃型。高水基液压油,属抗燃型,一般水占95%,其余是乳化液,以替代将来昂贵的石油基液压油,并满足井下禁用易燃型油液。煤矿井下使用的液压支架就是高水基液压系统,既节约又安全,但液压支架的泵是三柱塞或五柱塞的卧式乳化液泵,不变量,体积很大,不适于机载。

该系统的高水基液压泵是摆盘—锥形柱塞式通轴泵,19935月获得专利,为第一设计人。它是五种泵的特点巧妙组合,阀式配流可用于水压,变量可用于调速。体积小可机载。20117月上海伊索机电公司来信:“你们发明的可用于高水基的液压泵,我高兴极了,我们急需这种泵。”

孔销式行星摆线液压马达,19904月获专利,为第一设计人。主要是提高机械效率,列为煤炭工业部高校科研基金项目,与南京液压件四厂一分厂合作研制,样机试验基本成功。若齿轮端面间隙加一補偿装置可减少漏损,提高容积效率。

新的简单可靠的闭式液压系统,取消了補油泵及系统,并能100%的过滤和冷却,一般闭式系统只能达到2035%,经过试验、对比,功能良好。北京一研究所提出他们研制的采煤机可改为此新的系统。

以上三篇论文均为国际学术会议发表的论文。三种元件及系统组成新的高水基液压闭式系统。是一种前沿科技发展项目。

工作50年了,深深地体会到,有信心就有动力,有兴趣就能坚持,有诚信就能得到社会的信任和帮助。衷心感谢帮助和支持过本人的组织和同志。

人生最大的财产是回忆(《鲁豫有约》凤凰台2009.12.17),人类最可贵的财富是希望(法国·伏尔泰《哲学通信集》)。梦想是渴望,也是妄想,李白少年之梦是“梦筆生花”。爱因斯坦有句名言:想象力比知识更重要。我们不断的想象,不断的探索、实践、创新,就会有希望,梦想成真。

 

毛开友  1938年出生,教授,原博导。曾任西安科技大学机械工程系(学院)主任(院长),重点学科带头人,西科大教学督导专家组组长,全国机械控制工程研究学会常务理事及西北分会副理事长,全国煤炭高校采掘机械研讨会副理事长。现任省煤炭学会常务理事及机电自动化专业委员会副主任委员,省高等学校教学督导委员会委员,省老教授协会理事及西科大分会会长,西科大新技术研究所副所长,中国教育家协会(香港)理事。长期从事机械设计、液压传动、采掘机械、自动控制的教学和科研。

 

 

                         

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