大功率薄煤层交流电牵引采煤机的研制

车万里，许秀芳，赵 勇

(西安煤矿机械有限公司研发中心，陕西 西安 710032)

0 前言

煤炭作为我国基础能源和重要的生产原料，在我国国民经济中占有重要的战略地位。在我国的煤矿中，薄煤层的储量占煤炭可采储量的比例较大，在已探明的矿区中，国有煤矿薄煤层储量比重就占20%左右，地方煤矿薄煤层储量比重更大，如:薄煤层储量山东省占41%，四川省占54.8%，贵州省占46%，阳泉、平顶山、徐州、开滦、铁法、七台河等大矿务局都占有较大的比例。由于在开采技术上薄煤层属于较难开采煤层，机械化水平一直很低、开采产量较小，除特殊短缺煤种外，大部分薄煤层被暂时放弃，薄煤层开采一直成为困扰我国煤炭行业的难题。薄煤层矿井尤其需要高电压、大功率、高可靠性的采煤机设备。

但是长期以来同类型的大功率薄煤层交流电牵引采煤机在我国仍然是空白，需从西方发达国家以大量的外汇进口，来满足薄煤层煤矿的生产需求。因此大功率薄煤层采煤机的研制，对于提高我国煤炭生产效率，提高煤矿生产安全，提升我国煤炭采掘设备装备水平有着重要的意义。

1 大功率薄煤层采煤机的总体设计方案

以提高薄煤层开采生产能力、自动化水平和工作面采煤机装备可靠性为研究方向，以实现我国薄煤层安全高效开采为目标，采用机电一体化技术、计算机控制技术、信息技术、传感技术与采煤工艺技术相结合，在消化吸收国内外先进技术的基础上，进行自主创新，研发一次采全高的大功率薄层采煤机。

通过充分调研分析，本文针对目前国内外薄煤层采煤机械存在的问题，对大功率薄煤层交流电牵引采煤机设计中的技术难点进行总体规划和技术攻关。如:

(1)总体结构布置的优化设计;

(2)大功率、小体积、高强度截割摇臂的研究;

(3)薄煤层滚筒的装煤问题;

(4)体积小、结构紧凑的“一拖一”电气系统的研究;

(5)采煤机智能化在线监测和故障自诊断技术的研究;

(6)采煤机记忆截割及采高数据远程修正的研究;

(7)可根据运输机的负载变化调整采煤机行走速度的技术研究。

2 薄煤层采煤机主要机械部分优化设计

2.1 牵引部结构设计

大功率薄煤层采煤机，其单个滚筒截割功率为2×200 kW，单台牵引电机功率不小于40 kW，要求采煤机机面高度要低，过煤空间要大。另外，该型采煤机为无底托架结构，要适应过断层需要，采煤机采用四根液压拉杠将各个部件联接为一刚性整体。如何保证牵引部机壳强度及液压拉杠支撑点结构是一个技术关键。经过与国外各种同类型采煤机结构分析比较，决定采用以下技术措施:

(1)牵引部机械传动采用双级四行星轮传动结构，对传动结构、尺寸进行优化设计，按照40 kW功率对传动系统的齿轮、轴承强度进行计算，尽量减小行星机构外径尺寸。

(2)牵引部机壳采用铸焊结合，对安装液压拉杠部位表面进行硬化处理，以提高抗压强度。

(3)液压拉杠支撑点尽可能为矩形，矩形面积尽可能大。液压拉杠为圆柱形，便于加工制造，减少应力集中。经过受力分析和计算，四条液压拉杠应力不超过材料的弹性极限。

2.2 摇臂设计

由于薄煤层地质条件复杂，薄煤层采煤机的摇臂必须是大功率、高强度。即要求摇臂截割电动机功率大，有足够的扭矩;摇臂壳体有足够的强度，为提高摇臂强度，除在结构上提高强度外，可采用合金铸钢增加摇臂壳体强度;内部传动部分要有足够的强度把扭矩传递过去。

摇臂设计需解决的关键技术:

(1)解决大功率小尺寸行星减速器的设计。摇臂上截割电动机的功率2×200 kW，小尺寸摇臂行星减速器的设计是成功与否的关键。经过优化设计，精确的齿轮、轴承强度和寿命计算，采用双级四行星轮新结构，解决了大功率小尺寸的矛盾问题。

(2)解决摇臂箱体油温过高的问题。摇臂功率大，箱体散热面积小，仅依靠摇臂壳体水道水冷不足以解决摇臂壳体油温过高的问题。为解决此问题，采取摇臂内腔设置水冷却器的技术措施，采用长钢管，按摇臂可利用内腔形状制成管式水冷却器，进、出水口与摇臂水道联接，同时在摇臂行星头腔内设置一管式冷却器。通过此措施，成功解决了摇臂箱体油温过高的问题(实际热平衡温度低至70℃左右)。

(3)摇臂行星头滑动密封圈漏油。摇臂行星头滑动密封圈漏油是目前所有采煤机的一个顽疾，也是造成润滑不良，行星头传动元件损坏，以至于采煤机不能正常使用的大问题。为解决这个问题，本摇臂采用行星架两端各用一个圆锥滚子轴承支撑的新型结构。因此要求机壳加工精度要高，同时轴承组合的轴向游隙需要安装时调整。事实证明，采用圆锥滚子轴承大大改善了滑动密封圈漏油状况。

(4)薄煤层采煤机双截割电机摇臂。主要解决既增加采煤机截割功率又保持高生产效率等技术问题，在摇臂上固定设置有两台电机，分别设置有传动齿轮。

2.3 滚筒设计

由于薄煤层地质条件复杂，开采薄煤层经常遇到截割夹矸和破顶、底板等情况，甚至截割全岩，因此，要针对不同使用条件设计不同的滚筒。对需要过较大断层的采煤工作面必须使用高强度破岩滚筒。

(1)选用破岩截齿、齿座;

(2)增加叶片厚度，以提高结构强度和焊接强度;

(3)增加耐磨板高度，以提高装煤效果;

(4)堆焊耐磨层，以提高滚筒耐磨性;

(5)设计时增加滚筒重量，以提高滚筒惯性力，减小滚筒的震动。

3 薄煤层采煤机电气系统、结构设计及技术关键

3.1 “一拖一”，主、从控制应用

(1)交流变频调速系统采用“一拖一”方式。即一台变频器拖动一台牵引电机，一台采煤机由两台变频器分别控制两台牵引电机，两台牵引电机通过负载平衡牵引采煤机。主变频器既有速度控制又有转矩控制，从变频器只有转矩控制。主、从同时驱动一个共同负载，完全保证了其负荷的平衡分配。当一台变频器或者一台牵引电机发生故障时，能方便地进入单牵引状态。

图1 交流变频调速系统原理图Fig.1 Schematic of AC VFC system

(2)采煤机顺槽显示和故障自诊断检测的研究。受回采空间的限制，薄煤层工作面操作和维护采煤机非常困难，采煤机必须具备顺槽显示功能:通过顺槽显示箱可以实现采煤机的远距离操控;故障自诊断检测功能，实时记录、检测电机、变频器、减速箱等的工作参数，及时提示故障部位及类型，以便于维护人员集中进行处理，减少影响生产的时间。

(3)采煤机记忆截割及采高数据远程修正的研究。由司机操纵采煤机沿工作面煤层高低起伏条件先割一刀，控制系统将行程位置等信息存入计算机，以后的截割高度均由计算机根据存储器记忆的工作参数自动控制滚筒调高。若有煤层条件发生变化，则由司机手动操作割煤(作为位置程度的微调)，也可以远程进行对位置的修正，并自动记忆调整过的工作参数，作为下一刀滚筒调高的工作程序。

(4)可根据运输机的负载变化调整采煤机行走速度技术的研究。采煤机通过与顺槽计算机控制中心实时通信，获得运输机的运行数据，采煤机一旦检测到运输机过载后，采煤机自动降低行走速度，防止运输机的过负荷运行而损坏电机。

3.2 电气结构设计

薄煤层地质条件复杂，采煤机开采过程中的振动非常大，因此解决薄煤层采煤机电控箱的抗振动问题是解决薄煤层采煤机电气系统可靠性的前提，在元器件的选型上要有足够的裕量、变频器的抗振性方面要采取措施。

3.3 电牵引采煤机监控程序的研制

薄煤层电牵引采煤机在井下工作，工况条件很复杂，必须有完善、可靠的软硬件支持才能可靠运行。

电牵引采煤机的程序功能主要是控制、监测和通讯功能。控制的任务就是采煤机的各种动作，即采煤机的启动、停止;左、右牵引;左、右滚筒的升、降等。监测保护功能有:截割电机过电流保护;截割电机温度保护;泵电机温度保护;瓦斯超限保护;牵引电机和电控箱水流量保护;牵引变压器温度保护;变频器故障保护;采煤机过零保护等。通讯功能主要有:采煤机与顺槽设备实时通信;采煤机工作面定位技术的研究;三机之间联动的研究;井下综采设备远程数据的监测。

电气控制系统的核心部件选用贝加莱的可编程计算机控制器PCC，它综合了PLC和工业PC机两者的技术优势，可靠性高，抗干扰能力强，具有高速的运算能力、大容量内存和存储单元，良好的扩展性和开放的通讯、组网能力;并且采用模块式硬件结构，接线简单，连接可靠。PCC的输入输出系统能够直观的反应现场信号的变化状态，另外，该PCC还具有完善的自诊断、自测试功能。采煤机在实际生产应用中，PCC程序运行稳定、可靠。

4 结论

国家加大对煤炭企业的投入，除继续建设高产高效矿井，提高采掘机械化水平，发展中、厚煤层一次采全高以及特厚煤层的放顶煤开采技术和装备外，研制开发适合我国国情的薄煤层开采技术和装备，不仅成为各煤矿亟待解决的问题，也成为我国煤炭工业研究探讨的重要课题，受到我国煤炭行业各方面的重视。目前，已有铁法、西山、晋城、大同、兖州、淮南、淄博、阳泉、沈阳等10多个矿务局引进或提出要引进大功率薄煤层采煤机，其中有相当一部分矿对引进采煤机还是上国产采煤机采取观望态度。因此，用户对薄煤层采煤设备的要求越来越高，性能参数优、可靠性高、装机功率大、自动化和智能化程度高的采煤机很受用户欢迎。潜在的市场很大，前景广阔。

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