大功率、大采高电牵引采煤机的研制与应用

吴海雁

(西安煤矿机械有限公司，陕西 西安 710032)

1 前言

我国是能源需求大国，其中煤炭占能源总需求量的70%以上。在我国，煤炭提供了78%的发电能源、70%的化工原料和60%的民用商品能源。在未来的几十年内，尽管新能源的发展和推广将使煤炭在一次能源中的消费比重逐年下降，但煤炭的主导地位不会改变。高产高效矿井技术是当今世界采煤业发达国家普遍采用的一种较为先进的现代化采煤技术和管理方式，也是衡量一个国家煤炭工业发达程度的主要标志。我国自上世纪80年代高产高效矿井技术起步以来，煤炭工业得到迅速发展和推广，采煤机作为高产高效矿井综采设备的主要设备之一扮演了重要角色。

2 国内外综采设备现状

经过几十年的引进技术、消化吸收和自主研发，我国煤矿综合机械化采煤设备的研制水平已有长足进步。国内某些技术如综采放顶煤支架技术处于国际领先水平，国产综采设备的主要技术参数已接近或达到国际先进水平;国产综采设备的机电一体化程度接近或达到20世纪90年代中期的国际先进水平;国产综采设备的可靠性接近或达到20世纪90年代初的国际先进水平。国产设备的价格约是引进设备的1/2，中国煤机制造企业设计制造的煤矿机电装备已经在国内各类煤矿广泛应用，成为中国煤矿工业技术装备的主体，为中国煤矿安全生产和高产高效矿井的建设提供了可靠的保证。

目前在我国陕北地区和内蒙古鄂尔多斯地区赋存着大量煤层厚度在6.5～7 m的优良煤炭资源。神华集团神东公司和陕西煤业化工集团神南公司正在生产的工作面平均厚度也多为6.5 m左右。由于对产量有着比较严格的要求，神东公司采高在6.5 m左右的工作面一直使用进口Eickhoff SL1000型和JOY 7LS7型采煤机。陕煤集团神南公司2008年为其红柳林煤矿、张家峁煤矿、柠条塔煤矿分别安装了西安煤矿机械有限公司研制的MG750/1910－WD型、MG900/2210－GWD型采煤机共三台，特别是用于红柳林1502工作面的MG900/2210－GWD型采煤机，是我国国产采煤机首次用于此类采高超过6 m、煤质硬度达到f5的工作面。

3 国内外大功率采煤机在6 m以上煤层工作面的使用情况

神华集团神东公司布连塔煤矿22303工作面使用的JOY 7LS7改进型大功率采煤机首次完成了7 m煤层首采工作，该工作面长度301 m，推进长度4 971 m，煤层平均厚度7.55 m。工作面投产后，每刀可割煤2 600 t，较6.3 m采高综采工作面单刀多产300 t，提高了13%，每天按18刀计可多出煤5 400 t，月单产达到140万t左右，资源回收较6.3 m采高工作面多采煤炭183万t，回收率提高10%以上，创造了世界记录。

2008年，西安煤矿机械有限公司以原有MG750/1910－WD型采煤机为基础，综合该型采煤机在大同四老沟等地的使用情况和国外同类型采煤机的技术特点，成功研制了适用于6 m以上煤层的MG900/2210－GWD型采煤机。采煤机上置油缸、高低压屏蔽等多项核心技术均已申请国家专利。该型采煤机的各项参数(表1)均已接近或达到国外进口采煤机的水平。2009年8月，该型采煤机在陕西煤化集团红柳林矿投入使用。

红柳林煤矿采煤机技术参数见表1。2010年7月该台采煤机升井大修时共产原煤660万t，平均月产55万 t。2010年8月 JOY 7LS6型采煤机在相同煤层继续生产。通过对JOY 7LS6型采煤机和西安煤矿机械有限公司MG900/2210－GWD型采煤机在相同地质条件下使用情况比较，发现国内外6 m以上采高的采煤机性能参差不齐。在平均采高6 m，煤质硬度f5，割煤速度7 m/min的情况下，进口JOY采煤机相对于国产采煤机运行更加平稳。国产采煤机在截割机构行星头、行走机构齿轨轮的耐用性和可靠性上都有待进一步提高。JOY 7LS6采煤机行走链轮过煤量为260万t，国产2210－GWD型采煤机齿轨轮平均过煤量为120万t，仅为进口采煤机的一半。进口JOY采煤机行星头320万t时第一次出现故障，国产采煤机为180万 t左右出现故障。在电气方面，JOY 7LS6型采煤机已在红柳林实现顺槽显示系统，并在自动化(少人工作面)方面取得很大的突破。国产2210－GWD型采煤机仅实现了顺槽显示和部分数据的远程监测，在工作面自动化方面还比较落后。

表1 采煤机技术参数

4 针对6 m以上煤层大功率采煤机的技改措施

为了进一步缩小与进口采煤机的差距，更好的为煤矿企业服务，西安煤矿机械有限公司以神南地区采煤机实际应用情况为依据，通过对采煤机整体机械、电气系统进行改进，以及提供更好的售前和售后服务来提高能够适应6 m以上大动率采煤机的可靠性和先进性。

4.1 整体结构调整及部件优化设计

利用先进的Solidworks三维设计对采煤机整体进行虚拟样机重新设计，利用ABQUS有限元分析软件对整机进行受力分析。对采煤机在特殊工况下的受力情况进行分析后，调整采煤机整体重心及结构强度，保证采煤机在6 m大采高情况下的稳定运行;有针对性地重新设计行走机构，改变行走齿轨轮齿形和模数、加长导向滑靴导向面，延长了行走机构的使用寿命;改变截割机构行星架轴承支承方式，使截割机构对截割阻力和轴向力有更大的承载强度;重新设计滚筒，减小采煤机截割阻力，降低滚筒所受的轴向力。

4.2 材料热处理及加工工艺的改进

通过对 30CrMnTi、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W等材料的力学性能、实际工况使用结果进行比较，针对行走机构的独有特征，选用耐磨性、抗弯强度更好的18Cr2Ni4W为采煤机材料。该种材料常用合金渗碳钢，强度、韧性高，淬透性良好，在渗碳或调质的情况下具有非常好的力学性能，一般用做截面较大、载荷较高且韧性良好，缺口敏感性低的重要零件。为了解决导向滑靴耐磨问题，采用了西安煤矿机械有限公司导向滑靴铸渗专利技术。

4.3 采煤机电气系统改进

完善电气系统的重载反馈减速功能，减小缓冲。当采煤机由于牵引速度过大，或者煤机突然遇到夹矸、过硬的煤层，导致牵引过程中所受的载荷突然增加的时候，采煤机会自然的减缓牵引速度，防止由于机组收到过大的冲击载荷，对煤机的机械件及电气件造成损坏。这样就会避免出现机组刚到一个新面后由于工作面条件不成熟和工人的操作而对采煤机造成的损坏;设计具有显示功能的手持遥控设备，让工人在安全的前提下了解采煤机实时数据。基于西安煤矿机械有限公司MG900/2210－GWD改进型采煤机在河北金牛能源东庞矿大采高工作面使用2×150 kW牵引电机的成功经验，对6 m以上大采高、大功率采煤机进行牵引功率升级。

4.4 提供完整的6 m以上大采高工作面的综采工艺售后服务

(1)在综采设备订购前，为用户提供选型及全工作面采煤工艺方案，这可以使用户在订购采煤机前就对以后的使用情况有一个比较清晰的认识，同时避免因为用户对采煤机性能及适应采煤工艺的了解不充分而导致使用初期的大量误操作。

(2)针对6 m以上煤层的特殊情况，增派服务工程师对用户进行24 h的跟踪服务，这样可以实时了解采煤机运行情况，及时处理采煤机出现的故障，保证开机率。

(3)在6 m以上煤层赋存比较集中的陕北、鄂尔多斯地区建立强大的代储备品备件库，保证用户24 h内得到所需备件。

5 大功率采煤机发展趋势及应用情况

根据国家年产千万t煤矿建设的要求，综采工作面的高产高效是关键。根据进口采煤机近年来的发展动态及用户反馈可知，综采工作面自动化技术是采煤机今后的发展趋势。

工作面自动化技术是指工作面的各种设备按预先设定的程序，互相配合自动运行。同时，把各设备的运行参数、设备状态参数实时地传输到巷道中的“中央控制台”或地面的“中央控制区室”，并采取“视频监控”或其它技术手段对地面的地质情况的变化和“突然事故”进行监视，一旦发现地质条件发生变化或各设备之间不协调，操作人员可以在巷道中或地面进行“远程的人工干预”。这样，一般情况下，不需要人员跟随采煤机、支架进行“跟机操作”。但设备不能智能的按地质条件的变化来自动调整运行参数与程序，目前国内外对“工作面自动化”进行过尝试、进行过“试验、试用”的煤矿，均属于这种类型的“集中、远程、程序控制”。

神华集团神东公司榆家梁煤矿从2004年开始进行“工作面自动化”的研究和试验，取得了一些积极的成果。工作面上主要设备为JOY公司的7LS－1A采煤机一台，装机功率1 162 kW，采用FACEBOSS控制，变频牵引技术牵引速度22/32 m/min，采用“记忆切割”，在煤层比较稳定、顶底板条件比较好时，可以实现“自动割煤的循环运行”，无需操作人员跟机操作;支架采用红外线装置，实现跟随采煤机的成组运行，自动实现“程序操作”;再辅之以采用摄像头的“视频监控”，及时发现工作面的地质情况变化和“意外事故”，由工作人员及时加以干预。另外，不少煤矿近年来对工作设备的运行状况监测，安全情况的监视方面做了很多工作，有了较普遍的应用，但都只是“单向信息传输”。而采用国产采煤设备，实现“双向信息传输”远程、集中地对工作面设备进行“状况监视”和“运行状况控制”的“采煤机自动化工作面”还没有。

2010年7月，西安煤矿机械有限公司与中国矿业大学合作开发的国家高技术研究发展计划(863计划)“煤炭井下采掘设备遥控技术”攻关项目已通过中期验收，该项目承载机型MG900/2210－GWD型采煤机在内蒙古碾盘梁矿进入工业性试验阶段。该项目完成后，MG900/2210－GWD将完全具备以下功能:①采煤机顺槽集中控制功能;②通过综采工作面无线以太网和煤矿工业以太网连接，将采煤机运行参数和状态传送至地面监控中心，在地面操控中心能够实现采煤机控制参数的设置;③采煤机记忆截割功能及记忆截割的远程修正功能;④采煤机的虚拟3D监控功能，即以3D模式提供综采工作面采煤机的实时工作画面;⑤采煤机的传感融合功能，即对采煤机的运行状态和截割路径传感参数、变频牵引单元的传感参数进行在线综合分析，在多传感融合的基础上，提供采煤机逻辑运行状态的在线监测与评估功能。

6 结束语

随着国家经济建设有高速发展，煤炭行业也在进行跨越式的发展。通过2006年列入国家发改委“年产600万t综采成套装备研制”项目，2009年1月启动的国家863计划“采煤机远程控制技术及监测系统”重点项目等，极大地推动了国产大功率采煤机的技术改革和创新。相信在以“863”计划重点项目为代表的一系列科技项目顺利完成后，国产大功率、大采高采煤机将可以更好的为煤矿用户服务，为建设年产千万吨本安型煤矿作出更大的贡献。

［1］ 冯泾若，杨健康，米朝阳．国内外大功率厚煤层采煤机技术与发展动向［J］．煤矿开采，2007，(2)．

［2］ 冯泾若，伍丽娅，赵勋盖．国内外大功率厚煤层电牵引采煤机机电一体化新技术［J］．煤矿机电，2003，(6)．