中国煤科10大创新成果┃胡俊研究员：1.7～2.5m坚硬煤层高效智能采煤机研发与应用

抖音热门 2025年08月11日 00:56 1 admin

中国煤科科技创新10大成果专栏

针对1.7～2.5 m坚硬煤层高效开采需求，研发了MG900/2360—WD型高效智能电牵引采煤机。通过分析蒙陕矿区煤层地质条件与开采需求，创新攻关采煤机关键技术，包括总体设计优化、高效截割部研发、长寿命行走系统开发、智能化监测与控制等，显著提升了采煤机的功率、牵引速度和可靠性。工业性试验表明，该采煤机满足平均采高2 m条件下年产量400万t的高产需求，整机可使用率≥99%，关键部件无故障运行时间超设计指标，为煤矿智能化建设提供了有力支撑。

我国1.7～2.5 m煤层资源储量丰富，资源储量与产量所占比例约为31%。仅蒙陕矿区现有及3年内新增此类工作面超过50个，可采储量超2亿t。该区域赋存量大，煤层稳定、构造简单，普遍存在埋藏浅、煤质坚硬（普氏硬度为3~4）、具一定黏滞性等地质特点。

随着国家对煤矿安全、高效、绿色、智能化开采要求的不断提高，特别是“双碳”目标背景下，在薄且坚硬煤层条件下实现年产400万t以上的高产高效目标，对采煤装备提出了严峻挑战。现有几款进口和国产采煤机，在实际生产中普遍存在设备可靠性不足、地质适应性差及开采效率低等问题，工作面生产连续性难以保障，已成为制约薄且坚硬煤层的优质煤炭资源高效开发的关键因素。

01、1.7⁓2.5 m坚硬薄煤层高产采煤机开发难点

在煤层薄、煤质硬的条件下开采，对采煤机结构布局、功率密度、散热以及智能化功能集成提出了更高要求。实地调研和故障统计数据显示，现有装备难以完全满足需求。

（1）进口采煤机技术相对先进，但截割、总装机功率偏小，在高硬度煤层条件下易过载，且故障率较高。

（2）国产采煤机功率配置具有一定优势，但整机可靠性、关键部件（如摇臂壳体、行走系统）的寿命和耐磨性、高速重载下的振动控制等方面与进口产品尚存差距，实际产能也难以满足矿方持续增长的高产目标。

因此，针对1.7⁓2.5 m坚硬煤层的高效开采需求，突破现有装备的技术瓶颈，研发一款具有自主知识产权的新一代高效智能采煤机，对于保障国家能源安全、推动煤矿智能化发展具有重要战略意义和市场价值。

02、高效智能采煤机关键技术

2.1 总体设计优化与可靠性提升

（1）基于大数据的参数最优匹配

针对坚硬煤层截割阻力大、工况复杂的特点，收集并处理了蒙陕矿区多种机型的实际运行数据（工况、功率、速度等），利用Python、MySQL等工具进行数据挖掘与分析。研究了坚硬煤层破煤机理、截割比能耗影响因素，推导滚筒转速、牵引速度的边界条件及功率匹配理论模型。开发了坚硬煤层高效开采采煤机关键技术参数最优匹配专用软件，基于最佳切屑厚度、功率利用率、装煤能力等多目标优化方法，为MG900/2360—WD样机确定了最优的截割功率、牵引功率、滚筒转速和牵引速度等核心参数配置，采煤机参数设计专用软件界面如图1所示。

中国煤科10大创新成果┃胡俊研究员：1.7～2.5m坚硬煤层高效智能采煤机研发与应用

图1 采煤机参数设计专用软件界面

（2）整机关键部件连接可靠性强化

针对摇臂与牵引箱连接锥销组件易磨损、腐蚀问题，对比高耐磨销轴组件设计，研究了多种表面处理工艺、优选材质、销轴表面制备高致密性涂层，提高了表面硬度和耐蚀性，高强度高耐磨销轴试制如图2所示。

长螺杆抗振动疲劳设计，通过力学建模和有限元仿真（ANSYS），分析了长螺杆在预紧力和工作载荷下的振动特性（模态、谐响应）和疲劳寿命。提出在长螺杆波腹位置加装特制橡胶套的减振方案，并通过振动台试验验证，长螺杆振动试验如图3所示，提高了长螺杆组件的固有频率，降低振动响应幅度和应力集中，提升抗疲劳性能。

图2 高强度高耐磨销轴试制

图3 长螺杆振动试验

2.2 高效高可靠性截割部关键技术

（1）含稀土微合金化高强度壳体材料与热处理

针对摇臂壳体强度、耐磨性能现状，开展含稀土微合金化高强度壳体材料研究，探究稀土微合金元素配比对壳体材料性能提升的影响。围绕冶金过程控制、大体积复杂壳体的整体热处理、新材料的焊接性能及新加工工艺展开研究，高性能摇臂壳体成品如图4所示。

图4 高性能摇臂壳体成品

（2）高效耐磨球面滚筒开发

针对坚硬煤层截割阻力大、装煤困难的问题，利用离散元软件EDEM，仿真分析滚筒截割和装煤过程。研究滚筒结构参数、工作参数以及不同旋向对装煤率的影响特性。优化齿座结构，通过有限元分析找出应力集中点并进行改进，提高抗疲劳强度，滚筒截割煤层离散元分析如图5所示。

图5 滚筒截割煤层离散元分析

开展滚筒耐磨性研究，通过ASTM G65标准磨损试验对比多种耐磨材料，优选高性能材料，开发出带合金头的块状耐磨块，优化焊接工艺参数，并引入滚筒焊接机器人，提高焊接质量和一致性，高装载率球形滚筒如图6所示。

图6 高装载率球形滚筒

（3）传动系统可靠性设计

采用MASTA软件，精确建模与仿真分析900 kW摇臂齿轮传动系统（包括行星减速机构）。在模拟工况载荷下，校核了齿轮的接触应力、弯曲应力及疲劳安全系数，以及轴承的疲劳寿命。基于仿真结果，对关键齿轮进行了齿廓、齿向修形和修缘优化，改善齿面载荷分布，降低接触应力，提高传动平稳性和承载能力，预计可延长寿命10%以上，设计并建立了摇臂多功能传动试验台，用于加载试验和验证设计，摇臂多功能试验台图7所示。

图7 摇臂多功能试验台

2.3 长寿命行走系统关键技术

（1）行走轮表面强化

针对重载、冲击工况下行走轮易磨损问题，研究并革新了热处理工艺。通过优化深层渗碳工艺（如增加碳源活化能、调控热动力学参数）和激光微熔刻技术，获得具有纳米织构效应的微观组织，实现了硬化层深度、梯度和强韧性的优化匹配，提高耐磨性和抗接触疲劳性能。

（2）滑靴减摩耐磨技术

分析了导向滑靴和支撑滑靴的受力及磨损机理，明确了允许磨损量对啮合中心距的影响。通过MM—2 000摩擦磨损试验台，测试不同基材和堆焊材料组合，优选出具有优异耐磨性焊条。研究并引入机器人自动化堆焊技术，提高熔覆层质量和一致性，减少后续加工，同时研究了利用增材制造技术修复和强化滑靴表面的可行性，滑靴材料耐磨试验如图8所示。

图8 滑靴材料耐磨试验

（3）开式行走系统润滑改进

针对行走箱开式齿轮（行走轮/销排、驱动轮/大齿轮）啮合处润滑不足导致的磨损问题，分析了传统滴油润滑的弊端（油量小、不可控、易堵塞）。设计了一种新型强迫喷油润滑系统，利用行走箱驱动轮轴的转动驱动凸轮机构和弹簧复位活塞缸，实现向啮合点主动、连续、定量喷射润滑油。设计了自动注脂系统，定时定量对摇臂销轴、行走箱轴承等关键润滑点补充润滑脂，提高维护效率和设备可靠性，智能注脂系统如图9所示。

图9 智能注脂系统

2.4 节点自组网采煤机专用传感网络技术

（1）本安型无线传感模组

针对采煤机内部及与工作面其他设备间传感器数据传输布线复杂、可靠性差的问题，开发了一款紧凑型、本安、低功耗、抗振的专用自组网传感模组，集成了多种接口，支持多种模式，可灵活组建无线网络。

（2）异构数据流高效管理

采用基于物联网特征策略和轻量级操作系统（LiteOS）的数据流管理技术，通过优先级设定、非阻塞I/O（Poll/Epoll）、协议裁剪（TCP/UDP/WebSocket区分应用）、缓存队列优化、负载均衡（多线程、线程池）等方法，高效处理不同传感器、不同类型（控制指令、监控数据、视频流等）的数据，保证在有限带宽数据传输的实时性、可靠性和高吞吐量。

（3）数据加密与安全传输

为保障无线通信安全，采用WPA3/WPA2加密协议（支持AES对称加密算法），结合数据校验指纹、SSH隧道通信、入侵检测等机制，确保数据传输的真实性、完整性和机密性，传感网络试验测试装置如图10所示。

图10 传感网络试验测试装置

2.5 基于数据融合与预测理论的高可靠性姿态检测技术

（1）多传感器融合定姿

为精确获取采煤机机身和摇臂姿态，采用多传感器融合方案。在机身中部安装自研惯性测量单元，结合轮速里程计，通过特殊算法进行系统级标定和组合导航解算。在摇臂上安装MEMS传感器，实时灵敏检测机身仰俯角度，通过互为冗余检测加算法修正，实现多路数据的修正融合，获得摇臂精确姿态数据，MEMS传感器在摇臂上的安装如图11所示。

图11 MEMS传感器在摇臂上的安装

（2）抗振动干扰与精度提升

针对采煤机作业时强振动、冲击对传感器数据造成干扰的问题，研究了基于数据融合与预测理论的解算方法。采用集成学习算法融合预测IMU和MEMS的姿态数据。通过多模型集成，提高了模型的稳定性和泛化能力，滤除噪声、补偿误差，并实现姿态数据的相互校验与自校正，获得高可靠性的机身倾角和摇臂角度输出，精度误差≤0.5°。

2.6 摇臂多参数采集与状态识别技术

（1）专用多参数采集装置

为在线监测与早期故障诊断摇臂运行状态，开发了摇臂专用多参数采集装置。该装置集成了多种传感器，实时监测摇臂的关键物理特征信号，包括：振动与噪声（MEMS加速度计、麦克风）、油液状态、截割电机电参数（电压、电流）等。针对井下恶劣工况，传感器及信号处理装置进行了高温、强振动、高防护等级、低功耗等优化设计。

（2）基于多传感参数融合的状态识别方法

针对单一传感器判断故障局限性明显的问题，研究了基于多传感参数融合的状态识别方法。对采集到的多源异构信号进行预处理（如小波包降噪）、11个时频域特征提取与归一化。设计并应用了机器学习算法构建故障诊断模型。融合不同传感器信息，精准识别摇臂轴承故障、齿轮故障等6种以上的典型状态，识别速度≤1 s、准确率≥85%，并提供维修建议，摇臂状态识别软件流程如图12所示。

图12 摇臂状态识别软件流程

03、现场应用效果

基于上述6项关键技术的研究成果，中煤科工集团上海有限公司下属的天地上海采掘装备科技有限公司完成了首台套MG900/2360—WD型高效智能采煤机的设计、制造与装配。最大总装机功率达2 360 kW，为同采高范围行业内的最大总装机功率。

高效智能采煤机在制造过程中，严格执行新材料的冶炼、铸造、热处理工艺；关键零部件采用优质材料、精密加工和先进热处理；应用了高精度数控加工设备和专用工装夹具；电气系统进行了可靠性、散热、抗干扰设计和调试。整机通过了严格的出厂检验和型式试验，取得了防爆合格证和煤矿安全标志准用证，MG900/2360—WD采煤机主要技术参数见表1。

表1 MG900/2360—WD采煤机主要技术参数

2024年6月首台套样机在陕西延长石油集团魏墙煤业3301工作运行生产，至2025年4月已完成4 258 m工作面的回采任务，累计出煤超400万t，采煤机实际产能超过600万t/a。采煤机运行情况较好，对地质条件变化适应性强，各主要部件工作可靠，整机可使用度超过99%。经过样机工业性试验与技术测定，证明该款采煤机性能卓越，可靠性高，智能化先进，可完全满足此类矿井的需求，MG900/2360—WD采煤机井下工作图场景如图13所示。