同煤浙能麻家梁煤矿井下三机设备研究

王晓天

(同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州036002)

1 卡特彼勒三机设备

1.1 刮板运输机

工作面前部运输机型号为PF6/1142，后部运输机型号为PF6/1342。卡特重型工作面输送机就是设计用于保证连续生产，将最大的煤从采煤工作面平稳运出。它们具有高可用性和低运营成本。易于维护，使用寿命长。先进的技术，产品的质量，积累的经验到出色的产品支持，卡特重型工作面输送机为煤矿的保质保产提供了强有力的支持。中部溜槽基架是轧制的，上槽可更换，而且可更换上槽的寿命取决于磨损因素。基架的寿命可在同等条件下使用多于3 次。轧制钢材与锻造钢材相比表面更加平滑，强度更高，更加耐磨和降低噪音。槽帮与刮板会尽量增大接触面积，从而将运行时接触压力降至最低，将摩擦力降到最低进而减少输送机的功率需求，提高刮板和槽帮的寿命。轧制钢材的表面比铸钢更加平滑，并且在最初的物料运输后显示极大的耐磨性。摩擦力小，磨损件的寿命长，在正常开采条件下可达1 000 万吨，开采条件好时可达2 000万吨。溜槽采取四节式槽帮设计，四节槽帮完全相同，每一节槽帮用两条焊缝焊接在选定厚度和宽度的溜槽中板之上。溜槽之间可以垂直偏转6°，水平偏转0.8 ～1.2°，增加了灵活性，适应起伏不平的煤层。

为了保证无故障运行，空载运行轨道上的链条必须保持足够的预张紧力，保证在负载运行状态下链条适度松弛。为此，在空载运行轨道上链条要张紧到一定程度，使链条在机尾驱动部的底板上溜过，而各个链环彼此不会相互卡入。如果链条松弛度过大，链条容易在链轮上爬行和跳动。张得太紧的链条在链条越过链轮时会造成功率损失。导致链条和链轮的磨损更大，噪声更强。根据经验，在负载运转时，链条在驱动部只允许下垂约一手宽的程度。否则，链条将会过分碰撞下链槽入口导轨的边沿，造成过大的噪声和较严重的磨损。此外，还会加剧链条爬链轮和跳链轮。如果运行轨道不仅在水平方向而且在垂直方向发生不同的弯曲，则链条的预张紧状态在采煤推进过程也会发生变化。中部溜槽较明显的压缩或伸长和工作面角度的改变也可能使链条预张紧力发生变化。此外，所运送矿料特性的不稳定，如湿度或含矸率的波动，也可能改变链条预张力。最后，不断增加的永久伸长变形也使链条本身不断变化。为了保证链条和链轮无故障运行、高效的驱动性能以及较长的使用寿命，必须对链条的松弛度和噪声强度等项指标进行连续监控。通过监控可以及时断定链条何时必须缩短或加长。

1.2 转载机

转载机型号为PF6/1542，本系统转载机和破碎机与工作面运输机完全匹配，都具有高能力以防止出现瓶颈。并且可适应顺槽纵向和横向倾角变化。转载机的驱动架、减速器和类似部件可装备一个温度和固体噪声监控系统。当达到不允许的温度时，或出现不允许的固体噪声特性时，该系统会关闭驱动部。转载机张紧架上装有集中润滑装置，集中润滑装置可以从一个集中点上通过一个连接组件对机架进行润滑。张紧架上的轴承和导向梁通过集中润滑装置获得润滑油脂。转载机尾的轴承盖上分别设有一个润滑脂入口和一个润滑脂进口，将油脂压入润滑脂入口的润滑脂嘴，直到润滑脂出口处溢出新鲜的油脂。链轮与通常的链轮不同，经过特殊设计，可将载荷分配在三个轮齿上，确保运行时链环与轮齿之间的接触面积最大，这样可以降低链轮和链条的磨损并延长其使用寿命。该链轮可将功率传输效率从93%提高到97%，延长链轮和链条的寿命，减少链条的延展。

1.3 破碎机

在硬件系统设计中，SK1118 型反击辊式破碎机是集成在采煤系统的转载机中的一种连续破碎机。它用来对采掘的煤进行粗破碎，以便后面的带式输送机把破碎的煤送出去。待破碎的煤借助转载机通过破碎机输送出去。其中，较大的煤块用破碎机辊破碎，而较小的煤块则在破碎机辊下面被输送出去。破碎机的机壳和带溜槽的底架是用不同的耐磨材料制成的焊接结构。破碎机机壳与底架用螺栓连接在一起。溜槽中焊接的轨道保证链条顺畅通过。为了有效除尘，在破碎机机壳上设有喷水的接头，旋入的扁射喷嘴伸到破碎机机壳内，水管接头与喷水管相连接，由此使水经过扁射流喷嘴喷入破碎机内腔。

破碎机机辊为实心辊，同样也是焊接结构。辊体用紧固元件固定在破碎机轴上，并经过平衡处理。破碎机辊可在轴承座和自动调心滚子轴承中进行转动，破碎机轴换位机构的壳体用螺栓连接在自动调心滚子轴承上，经过螺纹杆实现与破碎机机壳的连接。另有定距板可用来调整破碎机辊与转载机之间的通过高度，可借助液压缸进行高度调节。

换向式锤头用耐磨材料制成。换向式锤头用一个六角膨胀螺栓和一个锁紧螺母固定在锤柄上，锤头一面磨损后可以翻转过来再重新安装使用。

2 卡特彼勒CST 减速器

减速器设计用单独支承的轴安装在机架上的构式。输出轴配置了一个采用N260X10x30x24DIN5480 的可更换啮合件。电动机与减速器之间经过一个弹性联轴器进行连接。CST 系统可以实现电动机无负载和分级加速，机头和机尾驱动部均衡负载，被卡住时的过载保护，重载启动电动机，直到最大转矩。由于CST 离合器安装在低速输出轴上，所以在出现突然卡链时能够表现出优异的过载保护，实现链轮载荷的理想分配，非常精确的离合器控制。多于的链条所承受载荷和突然断链的危险从本质上被消除，由于冲击载荷被吸收可以大大减少链条、链轮和传输装置的磨损。在驱动之间精确的负载分配，充分利用了可供功率，避免电机过热，即使在工作面链条的节距发生变化时仍能减少停机时间。

KP-45CST -V 型锥齿轮行星齿轮减速器是一种四级减速器，包括一个伞齿轮级，两个圆柱齿轮级和行星输出级。通过更换第一个圆柱齿轮级实行减速比的变化。本减速器在结构上类似于传统的行星齿轮减速器。对于CST 减速器来说，区别在于行星输出级的设计。行星级的齿圈不是壳体的组成部分，而是被设计成可转动的结构型式，并通过一个内置的CST联轴器在一定程度上保持固定，导致输出转速改变。输出轴用一个免维修的传动机构密封件密封。输出轴N260 ×10 ×30 ×24DIN5480 的内齿如果磨损，可以从外面进行更换。允许的持续功率视减速器的变比而定，允许持续输入功率在输入转速n=1 500 转/分时最大为 p =1 050 kw，在 n =1 800转/分时最大为p =1 250 HP(英制马力)。输出端的最大允许转矩为450 000 Nm。

KP-45CST -V 型锥齿轮行星齿轮减速器作为输送机的减速器适用于用支承轴安装在机架上，而且拥有一个油腔。除了锥形小齿轮轴的轴承外，所有其他齿轮和滚动轴承都是靠溅油润滑的。锥形小齿轮的滚动轴承用一台内装的油泵供油。油位根据减速器的安装位置而定，可在外部固定在减速器上的油位标牌上读取，并可用量油尺检查。减速器内腔用一个通气滤器通气。为了防止超压，内装的油冷却器使用一个压力可设定到30 bar 的限压阀保护。冷却水量约为25 l/min。进水口和出水口G3/4 的接头在供液单元电动机侧的前壁上。冷却水必须在进入减速器之前过滤，而且进口温度最高不得超过25℃。所有为保证CST 减速器运行所需要的零部件，例如泵、阀和监控机构，都安装在减速器内。从外部只有冷却水和一根37 芯的连接导线与PMC-D 计算机相连接。

3 卡特彼勒CST 系统

每一部驱动装置配置一台驱动装置计算机PMC -D，用来控制减速器内装的CST 联轴器，并监控压力、温度、转速、注油油位等。CST 联轴器浸在油里，其特殊设计受专利的保护。通过调节联轴器盘间的压力，能够实现从0 到100%之间的滑差，也就是说输出速度可以在0 到额定转速之间变化而不产生爬行和磨损。联轴器滑动所产生的热量将会不断地由流向冷却器的润滑油带走。减速器能够执行以下功能。

3.1 电动机无负载起动和分级加速

电动机能够无负载相继起动，没有力传递到链轮。这样电动机能够在无负载的情况下达到全速，因而电网的负载保持尽可能最小。

3.2 软起动

电动机以空载转速运转，减速器输出轴不动。在一段可预设的时间内(0 ～15 s)经过计算机控制，输出轴上的转矩提高，直到输送机起动之后，转速上升，因而链带被平稳加速到额定速度。

3.3 重载起动电动机，直到最大转矩

电动机以空载转速运转，减速器输出轴不动。在预设的时间内经过计算机控制，输出轴上的转矩提高，直到输送机起动之后，转速上升，因而链带被平稳加速到额定转速。但驱动装置可以加载到电动机的极限转矩，以便在所有驱动装置均衡参与下起动输送机。

3.4 均衡负载

消耗的电动机功率经过单元集装站内的功率测量单元连续进行测量，并经过PMC-D 计算机进行相互比较。发生功率变换时，PMC-D 计算机对减速器的CST 离合器进行控制，使所有驱动装置都具有相同的耗用功率，并均匀地分配投入的驱动力，以驱动输送机运动。设备功率的优化使用使输送机需要的功率降低，并减少了由于热敏电阻关断电路引起的停机时间。

3.5 输送机链被卡住时的过载保护

此减速器的一个极为重要的优点是，CST 联轴器安装在减速器的输出轴上。当输送机链被卡住时，CST 联轴器会立即脱开而避免电动机和减速器的旋转惯性作用到输送机链上，从而保护了链条的使用寿命。电动机、减速器和链条的转动惯量之比为 100 ∶10 ∶1。

4 卡特彼勒CST 液压控制系统

CST 减速器的联轴器用油压进行控制，为此提供了专用的液压控制回路和专用油箱。此专用油箱安装在减速器的底部，因此低于减速器注油油位的高度。控制油箱的背面设有补偿孔。该补偿孔保证在向减速器注油时，同时也向油箱注油。液压控制系统需要约100 bar 恒定的系统压力。这一压力用一台活塞泵来保证。该活塞泵用一个直接并联的120 bar 限压阀保护，该限压阀的回油直接进入齿轮箱。利用一个可调限压阀来设定恒定系统压力值。设定值为100 bar。该压力值可通过安装在“P2”接口上的压力开关来监控。如果系统压力下降到80 bar 以下，驱动装置会被关闭。由活塞泵输送的控制油用一过滤器滤清，以保护伺服阀不会脏污。该过滤器配有一个压差开关。若过滤器进口和出口之间的压力差超过6.9 bar，该压差开关即作出反应。压差显示在PMC-V 控制器上。必须尽快更换过滤器滤芯。如果系统压力在100 bar 时压差开关切换，则过滤器输入端压力为100bar +6.9bar =106.9 bar。如果过滤器滤芯在十分堵塞的情况下仍未更换时，压差以及过滤器输入端的压力就会继续上升。当过滤器输入端压力达到120 bar，120 bar 限压阀便被打开。如果过滤器进一步堵塞时，过滤器输入端压力不再上升，而系统压力会降低。联轴器上的压力调节要借助伺服阀进行。若伺服阀受正向电流控制，则控制油由阀的压力管路接口“P”流向阀的控制管路接头“B”。这样，CST 液压缸中的控制压力上升。若伺服阀受负向电流控制，则控制油由阀的控制接头“B”回流到油箱。这时，CST 液压缸中的控制压力就会下降。所需要的控制电流由PMC-D 计算确定。计算的基础是通过对实际的压力值与额定压力值进行比较而得出的。实际的压力值由液压控制盘上的PPT100 压力传感器测得。

应急运行时必须将液压控制盘上的手动阀向左转到止挡位置，插接套管“N”上的截止阀必须是打开的。在转换到液压应急状态之前，输入端的电机至少必须停转90 s，以便能消除系统内可能存在的剩余压力。驱动电机一旦起动电源，活塞泵就开始输油。经过1 ～2 s 后，液压控制盘的接口“P”上的压力就达到100 bar 的额定压力。这时，油从接口“P”经过一个节流阀流到环状液压缸。在接通驱动电机后，液压控制盘的接口“Zy”上的压力上升到约10 bar。此时几乎不传递任何转矩。电动机无负荷加速。约3 s 后压力上升，在后续的5 s 内压力上升到100 bar，并使输送机加速。在100 bar 时联轴器几乎处于刚性联结状态。

5 机尾自动张紧

通过在张紧架上(机尾驱动部)缩回或伸出的液压缸可以调节链条预张紧状态，使之与开采条件相匹配。液压缸活塞伸出时张紧链条，而缩回时则放松链条。液压缸活塞的最大行程为1 000 mm。液压缸可以手动或通过自动压控式链条预张紧调节机构加压。利用液压缸上液压释放式单向阀可以封闭活塞空腔，保证气密。装在液控单向阀上的一个限压阀被设定到480 bar，用来防止过载。压力表用来监视规定的链条张紧力。

机尾自动张紧系统是为了使链条的预张紧状态与输送机的实际工作状态尽可能达到最佳匹配。自动链条张紧系统保证链条预张紧状态与输送机的主要工作状态达到最佳匹配，延长链条的使用寿命，减少构件的维修工作量(链条、链轮、传动部件)，减小各转动及摩擦面的磨损，达到最佳的电动机电流消耗。

该功能的基本电气系统由两大主要构件组成，一个压力传感器和一个位移传感器。两个构件都与电液控制单元相连。控制单元安装在张紧装置的液压系统附近，根据可张紧机架的结构型式，借助一个或多个张紧液压缸控制链条预张紧状态。控制器单元由在工作面自动化中十分常见的单一控制器PMCR 构成。PMC-R 经过一个电磁驱动器控制一个双电磁阀，通过该阀触发张紧架内张紧液压缸的运动。链条预张紧状态的调整在两个关键参数之间进行，即最小和最大链条松弛度。当输送机满载运行时，链条松弛度最大，当输送机处于空载运行状态时，链条松弛程度减至最小。链条预张紧状态的自动调整在这两个链条松弛极限值之间进行。必要时，在PMC-R 上预设定的额定值曲线参数必须根据输送机工作点上实际存在的情况作必要的修改。为此，必须测定输送机空载运行时和满载时的压力参数，并输入到PMC-R 中。这样使额定值与实际存在的情况相匹配。在测定参数时，输送机必须运行，并注意观察在机尾驱动部上经过的链条。空载运行状态参数的测定过程如下。

将输送机排空，输送机运行时手动使张紧液压缸活塞伸出，直到链条离开张紧上槽时不再形成悬垂为止。然后以约25 mm的步距缩回张紧液压缸活塞，直到观察到轻微的链条松弛为止。当达到形成垂悬链的过渡状态时，在PMC-R 上读取压力值。记录读取的值，并作为空载运行的参数输入到PMC-R中。测定适合满载状态的正常运行值必须满足。

在PMC-R 上预先设定了有效参数，输送机必须加载到最大负载。注意观察链条在张紧架上的经过过程。如果没有形成悬垂链，要在PMC-R 上把满载运行状态的参数压力以大约10 bar 的步幅逐步减小。重复这一过程，直到形成较明显的垂悬链为止。要确保张紧液压缸活塞此时还有足够的剩余行程。如果发现链条在预先设定的参数压力值下松弛度过大，则必须将满载压力以约10bar 的步幅逐步升高。前提是张紧架液压缸活塞还有足够的剩余行程。当形成足够的悬垂链时，在PMC-R 上读取压力值，记录该压力值，并作为满载运行的参数输入到PMC-R 中。

6 结语

充分了解、掌握卡特彼勒三机自动化是成功进行采矿作业的基础。其先进的微控技术和提升的计算能力可实现完全新尺寸的自动化，提供所有所需的功能，增强对驱动装置的控制的采矿自动化系统最大程度地提高整个长壁系统的自动化程度，最大程度地提高产量，最大程度地提高安全性，优化设备的使用，使部件的过载机会降到最少，最大程度地避免使采矿人员暴露在危险的、充满尘埃的区域。