项目名称: EBZ系列掘进机的研制及产业化
申报单位: 煤炭科学研究总院山西煤机装备有限公司
主要完成人： 王喜胜 马健康 高 英 郝建生 王焱金 王韶蓓 徐小粤
张 国 王学成 毛继伟 荔 军 张梦奇 杨春海 高 伟 王炳效
主要完成单位：煤炭科学研究总院山西煤机装备有限公司
推荐单位：煤炭科学研究总院山西煤机装备有限公司
专业（学科）分类名称代码：采掘机械设备（4408520）
所属国民经济行业：B类型
任务来源：自选
项目起止时间：2003年1月-2009年7月
项目简介：悬臂式掘进机是一种集采、装、运、行多功能于一体的大型煤矿井下机械设备，是机、电、液多学科领域知识集中的一体化产品。悬臂式掘进机主要用于煤矿井下巷道掘进，是实现煤矿高效、安全、快速掘进的理想装备。本项目研制的EBZ系列掘进机适用于煤矿煤巷、半煤岩巷及岩巷的掘进。
该项目针对我国现有掘进设备的不足和现场实际需求，主要进行了掘进机破岩时机器稳定性、截割头和截齿耐磨性及破岩能力、截割机构内喷雾系统可靠性、恒功率双速切割机构、液压马达直接驱动星轮的新型装载机构、高可靠性履带行走机构、变量泵及比例多路换向阀液压系统、电气系统故障诊断技术、掘进机自动控制技术等方面的研究。目前掘进机已形成系列化，产品囊括轻、中、重型各个系列。
与国内外掘进机相比，本项目研制的系列掘进机具有以下特点：①适应范围广，可靠性高；②掘进速度快、安全、高效；③破岩过断层能力强、切割振动小、工作稳定性好；④截齿单刀力大、耐磨、刀耗小；⑤首创液压马达直接驱动星轮的无减速器装载机构，提高了装载机构的可靠性；⑥首创无支重轮履带行走机构，性能可靠，维护量小；⑦在国内外首次提出并采用恒功率双速切割机构，具有自主知识产权，调速方便，切割适应性强；⑧国内首次采用带负载敏感控制的恒功率变量泵及比例多路换向阀液压系统, 系统效率高；⑨采用掘进机运行状态监测、故障诊断及报警，信息数据通信及网络传输系统框架，实现可视化图表操作；⑩采用高精度传感器，监测掘进机及截割头的位置信息，实现掘进机定位导向和截割状态的实时监测和显示。
自2003年产业化以来已生产EBZ系列掘进机993台，先后在平顶山煤业集团、潞安矿业集团、新汶矿业集团、淮南矿业集团、西山煤电集团责任有限公司等数十余个矿局及地方煤矿推广应用，在切割煤岩、半煤岩、岩石巷道中，均取得了良好的效果，获得较好的经济效益，得到了用户肯定。
项目详细内容
立项背景、科技内容、特点及应用推广情况：
立项背景：我国是煤炭资源大国，在能源煤炭产量占世界的37%。煤炭是中国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%，在未来相当长的时期内，中国仍将是以煤为主的能源结构。
随着采煤技术的发展、煤矿生产规模的扩大，我国大型煤矿井下大都开始采用全煤巷布置开采方式，使矿井生产能力和自动化程度极大提高，此外采煤工作面的推进速度也比以往快得多，因而使得煤矿井下煤巷掘进工作量大幅度增大，对掘进机的工作效率提出了较高的要求，客观上要求掘进机的工作性能要好，掘进作业的推进速度要快。但是综掘机械化发展缓慢，而综掘率仅由1980年的1.71%增加到2007年的33.14%，这严重制约了煤矿高效、节约、自动化开采的发展，因此尽快研制出能适应不同巷道断面及煤岩硬度的系列掘进机已势在必行。
我国煤炭储量相当丰富，而且煤层的分布情况各不相同，在内蒙古厚煤层的所占的比例很大，而在四川、黑龙江、山东的薄煤层储量均占本省煤炭储量的50％以上，山西、河北、吉林等省的薄煤层储量也十分丰富，且薄煤层煤炭的煤质较好。据统计，2005年，全国煤矿半煤岩巷道比例已超过30％。因此急待开发研制综合性能好，适应范围广的煤巷、半煤岩巷、及岩巷掘进机，来解决我国煤矿巷道掘进的难题。
早在上世纪90年代中期，我院技术人员在普遍调研、分析和论证的基础上，认定开发新型掘进机的必要性和迫切性，于1997年7月自主研发成功我国首台EBJ-160型重型掘进机。但是，上世纪末由于我国煤炭供大于求，行业效益下降，各煤炭企业缩减成本，造成掘进机长时间无法大范围推广。进入本世纪以后，我国煤炭工业加快推进技术进步，推动传统产业升级换代，实现减人提效的技术政策，中央和地方政府已有必要研制具有独立知识产权的系列化掘进机。此项目的完成必将对促进我国煤矿实现经济增长方式的转变，改善煤矿采掘比例失调，提高煤炭资源的利用率，促进我国综掘机械化的发展发挥积极作用。
科技内容
总体思路：EBZ型系列掘进机项目是针对煤巷、半煤岩巷、岩巷等不同的地质条件立项的。它研究的主要内容是提高掘进机的破煤岩能力、工作稳定性、可靠性和生产效率，并扩大它的应用范围，以保证该机的先进性和实用性。在确定主参数时充分利用现有条件进行试验验证，切割减速器按5000小时设计，液压系统的设计在保证实用功能的情况下尽量简化，元件选用留有较大的裕度，机械、液压、电器元件的选用原则是择优选用，立足国内专业生产厂家的产品，力求技术先进，质量稳定，关键轴承、密封件选用进口。在整个设计过程中，严格设计程序和责任制，努力贯彻国家标准、行业标准及本企业专业标准，尽量提高及标准化系数，减速器的计算、截割头的截尺和重要元件的强度、刚度计算均采用CAD方法。
设计准则：（1）EBZ型系列掘进机的主要服务对象为煤矿井下各种类型的掘进巷道，考虑到我国煤层赋存地质构造的多样性和复杂性，将机器的适应性与可靠性摆在首位，采用现代设计手段，通过引进新技术和新部件实现产品创新设计。结合对国内大多数煤、半煤岩巷及岩巷掘进的工艺、现有各主力机型使用水平以及加工制造能力等充分调研，提高产品设计水平。
（2）积多年开发研制掘进机的设计经验和技术积累的基础上，制定了一系列设计准则，并制定了《设计任务指导书》。
（3）机械、液压、电器元件是择优选用，主要立足国内专业生产厂家，力求技术先进，质量性能稳定，并经实践验证的产品，如达不到设计要求，选用进口的同类产品，以保证它的承载能力和稳定性。
（4）各传动件都是按其具体工况专门设计，齿轮选用优质低碳合金钢，减速器设计寿命5000h。
（5）液压系统的设计在保证使用功能的情况下尽量简化，元件选用留有较大的裕度。
（6）本项目在研究、试制及实验阶段完全执行最新的国家和行业有关标准。
研究目标和内容：EBZ系列掘进机是为煤矿采准巷道掘进服务的机械设备，主要针对不同煤岩硬度的巷道掘进立项的，它研究内容的核心是满足不同类型掘进机在截割不同断面巷道时，实现高截割效率，高可靠性并扩大它的适应性。本项目研究的目标是研制适应各种地质条件的系列掘进机。本项目的主要研究内容包括：
（1）提高掘进机破岩时机器稳定性的研究。
首次提出最大重量体积比的掘进机设计理论。采用现代设计方法，应用虚拟样机技术和试验分析手段，实现最大的质量体积比。使该机具有较小的外廓尺寸，且能适应大断面巷道，并有效地通过断层，截割时具有很好的整机稳定性。这是本项目研究设计的关键内容。
（2）截割性能及结构的优化设计研究
截割机构是掘进机的工作机构，对掘进机的整机性能影响巨大。为了适应不同的截割工况，研制出了恒功率双速截割机构、横扭矩截割机构、伸缩截割机构等各种不同的截割机构。同时，通过在截割试验台上进行大量的假岩壁切割试验，对截割工况参数进行深入的理论分析，以确定在切割不同硬度岩石条件下的截割载荷、牵引力、截深和切屑厚度等截割参数，使系列掘进机获得最佳切割性能。
（3）高效装运机构的研究
针对传统装载机构故障率的问题，研制出了低速大扭矩马达直径驱动星轮的新型装载机构，使装载机构故障率下降90％以上，同时，对星轮装载机构的外形形状、尺寸、星轮转速等技术参数进行了试验研究。并对它与运输机速度和功率分配等关系进行研究，提高其装运效率。为了提高星轮装载机构的自装能力，研制出了刮板机改向链轮前置的新型装载机构，提高了星轮装载机构的自装效率。
（4）主要结构件可靠性的研究
EBZ型系列掘进机根据其工况特点及外形尺寸等限制条件，将现代设计手段与传统经验设计相结合，对主要受力结构件，如机架、切割电机机座、履带架、回转耳架等进行优化设计，以提高它们在各种不同工况下的可靠性。
（5）带负载敏感控制的恒功率变量泵及比例多路换向阀液压系统的研究
EBZ系列掘进机重型机液压系统采用带负载敏感控制的恒功率变量泵和比例多路换向阀等新元部件，在液压系统功率基本不变的前提下，通过提高系统压力，采用进口高压低速大扭矩马达，有效的提高了液压系统的过载能力，更好的适应了掘进机的工况。
（6）液压系统可靠性的研究
采用了AMESim计算机辅助分析软件对本机液压系统及其元件进行了动态仿真分析，使掘进机液压系统的设计由原来的满足功能设计进入到多方面综合设计阶段，极大的提高液压可靠性，也为提高掘进机的截割提供了有力的支持。
（7）电气故障诊断系统的研究
电控系统采用中文液晶显示器和PLC相结合，完成故障诊断功能。通过PLC软件设计，分别显示不同内容，实现了较完善的故障诊断功能，不仅能指出故障类型，还能对故障进行简单的分析，指出故障原因。为判断和处理故障提供了很大方便。
性能与特点：（1）EBZ系列掘进机结构紧凑，布置合理，实现最大的质量体积比，工作稳定性好；
（2）不同型号的掘进机可适应不同煤岩硬度，而且可以适用巷道断面的大小，适应性好；
（3）履带板采用了军工制造工艺，为整体铸造，结构简单，可靠性大幅度提高。
（4）用PLC控制技术，减少了电气故障，设置了故障显示功能，可在不断电不开盖的情况下，初步判断故障点的部位，系统的保护功能使用而齐全；
（5）重型掘进机液压系统采用带负载敏感控制的恒功率变量泵及比例多路换向阀的变量系统，减少了系统发热，轻型掘进机采用齿轮泵定量液压系统，结构简单，使用维护方便、易懂；
（6）油箱里设有多个热交换器，增加了散热面积和容积，采用两级过滤系统，增设了自动加油装置，以避免开箱加油造成油液的污染，大大提高了系统的可靠性；
（7）半煤岩巷掘进机采用恒功率双速切割机构彻底改变了以往掘进机为保持恒功率输出所采用的机械变速方式。在切割半煤岩巷的同一断面上，遇煤切割头转速升高，遇岩切割头转速降低，而输出扭矩、切割单刀力相应增大一倍，这一创新使切割效率最大化；
（8）将锚杆钻臂系统与掘进机集成于一体，实现了综掘工作面锚杆孔钻进和锚杆安装的机械化作业，极大的提高锚护效率，减少辅助作业时间，提高锚护效率并减少了作业人员数量，提高了锚护作业的安全性。
发现、发明及创新点：（1）首次提出最大重量体积比的设计理论，提高了整机的截割稳定性；
（2）应用自主开发的截割力学性能优化软件，对截割机构铰点位置进行优化，使工作中截割牵引力变化幅度较小，提高了整机的截割稳定性；
（3）在国内外首次提出并采用恒功率双速切割机构，具有自主知识产权，调速方便，切割适应性强；
（4）首创液压马达直接驱动星轮的新型装载机构，有效降低了整机故障；
（5）研制出刮板机改向链轮前置的新型装载机构，提高了装运效率；
（6）国内首次采用带负载敏感控制的恒功率变量泵及比例多路换向阀液压系统, 系统效率高；
（7）采用液压调速技术，实现了履带行走机构的无级调速，行走速度可根据负载大小自动调节，提高了掘进机效率。
应用情况：自2003年产业化以来已生产EBZ系列掘进机993台，先后在平顶山煤业集团、潞安矿业集团、新汶矿业集团、淮南矿业集团、西山煤电集团责任有限公司等数十余个矿局及地方煤矿推广应用，在切割煤岩、半煤岩、岩石巷道中，均取得了良好的效果，获得较好的经济效益，
其中EBJ-120TP型掘进机在切割煤岩单向抗压强度≤60MPa的半煤岩巷道中，最高日进尺35m，最高月进尺650m，截齿消耗仅为每立方米0.001把；EBZ160TY连续切割岩石硬度为70～87MPa，岩石比例47％的半煤岩巷道2200米，最高日进尺25米，最高月进尺512米，证明该机真正具备可经济切割≤80MPa半煤岩巷能力；EBZ220TY型掘进机在岩石硬度为f8～9的岩巷中掘进，达到月进尺210m，达到国际先进水平，取得较好的经济效益，得到用户一致肯定。
经济效益：EBZ系列掘进机研制成功以来，已累计生产993台，产生了巨大的经济效益，自2003年以来，年产值与利税稳步上升，2009年达到4.5亿元以上。其中，三种主要机型EBJ-120TP、EBZ160TY、EBZ220TY产生的经济效益最大：
EBJ-120TP型掘进机销售价格180万元，试验成功至今，累计签订销售合同803台，新增销售收入14.454亿元。
EBZ160TY型掘进机销售价格315万元，试验成功至今，累计签订销售合同114台，新增销售收入3.591亿元。
EBZ220TY型掘进机销售价格485万元，试验成功至今，累计签订销售合同23台，新增销售收入1.115亿元。
社会效益：本项目EBZ系列掘进机的研制成功，进一步提高我国掘进机的研究制造水平，对提高我国煤炭行业的综掘机械化程度，提高煤矿企业的劳动生产率及缓解采掘比例失调，提高综掘工作面的生产安全以避免不必要的人员和财产损失具有积极的促进作用，是我国煤矿实现高产、高效集约化生产较理想的掘进机械设备。
同时，掘进机的加工制造和液压、电气元部件的使用，也给相关产业带来了发展机遇，为大型煤机加工企业的技术进步和传统产业的升级改造起到了良好的促进作用，同时也为社会提供了良好的就业机会，给合作厂家带来较好的经济效益，对促进地方经济的发展有着十分重要的意义，其社会效益十分显著。
获奖情况：2003年荣获中国煤炭工业协会“EBJ-120TP型掘进机特等奖”；
2004年荣获国务院“EBJ-120TP型掘进机国家科学进步二等奖”；
2007年荣获中国煤炭工业协会“EBZ-160TY型掘进机煤炭工业协会科技进步二等奖”。
专利情况：1.一种恒功率双速电机驱动的煤岩截割装置项目成功荣获国家专利号（中国实用新型ZL 2005 2 0135464.X）。
2.一种无支重轮的履带式行走装置项目成功荣获国家专利号： 中国实用新型ZL 2008 2 0076309.9。
3.一种采煤掘进机的畅通式装载装置项目成功荣获国家专利号: 中国实用新型ZL 2008 2 0076449.6。
4.一种采煤掘进机的快速补油装置项目成功荣获国家专利号: 中国实用新型ZL 2008 2 0076520.0。
5. 一种带空滤器的掘进机截割伸缩装置项目成功荣获国家专利号：中国实用新型ZL 2008 2 0077520.2。
6.一种无支重轮的履带式行走装置项目成功荣获国家专利号：中国200810054538.5；发明(已受理)。
7.一种采煤掘进机的畅通式装载装置项目成功荣获国家专利号:中国200810054611.9;发明(已受理)。
