大功率采煤机通用研制思路探讨

李宁波

【摘 要】在采煤机的研制中，大功率采煤机的研制可否成功是关系到企业能否适应市场需求的关键，本文从采煤机的关键技术及设计选型上提供了一种模板和设计思路，可供设计者和工矿企业选型参考。

【关键词】大功率采煤机；牵引部和摇臂技术研究；电气系统结构选型；部件试验方法

背景资料：目前，在世界煤炭工业发达的国家，矿井建设采用一矿、一井、一面的模式，在中厚或厚煤层的综采工作面开采中，采用大功率、大采高、高性能的交流变频电牵引采煤机。

由此可以看出国外大功率、大采高采煤机发展主要表现在以下几个方面：

1）总体结构趋向模块化，多电机横向布置方式

2）总装机功率不断增大，性能参数大幅度提升

3）机械元部件可靠性大幅度地提高

4）控制、检测系统智能化

由此可见发展大功率采煤机是企业能否发展的关键，同时对研发提出了更高的设计理念。

1 电牵引采煤机的种类及发展方向

在电牵引采煤机的发展过程中，电牵引调速方式基本上可以分为四大类。

第Ⅰ类：直流调速系统；

第Ⅱ类：交流变频调速系统；

第Ⅲ类：电磁滑差调速系统；

第Ⅳ类：开关磁组电机调速系统。

随着交流变频器的发展，交流调速已日益显示出技术先进、性能可靠、维护简单、价格低廉等优点，调速技术已相当成熟，通过变频器对牵引电机进行控制，能够实现在额定转速以下恒扭矩调速，额定转速以上恒功率调速，滿足采煤机实际工况的要求，交流变频调速系统是电牵引发展的主流。

2 总体研制思路

根据不同煤矿用户的需要，结合我厂的加工工艺、安装水平实际情况，向国外先进技术学习，总体设计思路和理念主要有以下几点：

1）在有利于搬运、下井便利方面可采用美国JOY的三段机身结构，减少了不可拆卸的重量、体积，降低了制造工艺难度。

2）在抗振动方面可采用积木式结构模块化设计，不但解决电控箱振动，受力及适应性问题，而且解决电气元件抗干扰问题，易于维修和更换。

3）在紧固技术方面可采用长液压螺栓紧固技术，解决机身联接和紧固问题。

4）在平衡拖动方面采用国外主流的“一拖一”主、从控制技术；

5）牵引拖动系统可选用变频器的主、从控制宏及直接转矩控制技术（DTC控制）。

3 关键技术的研究及设计采取的措施

3.1 牵引部和重型液压拉杠技术研究和结构设计

由于电牵引部传动速比大，体积要小，牵引部传动结构型式已由多级平齿轮传动和一级行星齿轮传动向多级行星齿轮传动发展，牵引部采用两级平齿轮两级行星减速传动，并对其进行优化设计，减少行星头外径尺寸，缩短牵引部的长度和宽度。

采煤机采用无底托架结构，要保证采煤机在工作过程中，特别是过断层时，机身三大块不松动使其紧紧地联接为一整体，选用大规格、超长重型液压拉杠紧固技术，重点要对液压拉杠的材料性能，结构设计、热处理及制造工艺，机身选用4根液压拉杠，结构选为圆形，便于加工制造，减小应力集中。

3.2 大功率摇臂和冷却降温技术的研究和设计

在传统计算的基础上，利用大型有限元分析ANSYS软件，需要对摇臂行星减速器进行弯曲应力和接触应力的分析，采用数值模拟技术对太阳轮、行星轮、行星架及轴承等元部件进行应力和应变分析。摇臂采用直摇臂结构比较好设计和制造，机械传动采用两级平齿轮和两级行星齿轮传动减速器。采用分离油池，保证行星头的润滑。摇臂传递功率大，散热面积小，可以选用采取摇臂内腔和行星头腔内设置水冷却器技术措施，来解决了摇臂温度过高的问题。

3.3 行星头浮动密封技术的研究

摇臂行星头浮动密封漏油问题是经常出现的问题，由于漏油很容易造成行星轮打齿，行星轮损坏现象。传统的行星架支承方式是，一端是圆柱滚子轴承，靠煤壁侧的一端是双列调心滚子轴承，这种轴承能承受较大的径向力，又可以承受一定的轴向力，轴承内、外圈轴向游隙量比较大，特别是当采煤机斜切进刀时，受到很大的轴向力，轴承磨损量加大，轴向窜动量也相应加大，导致浮动密封圈破坏而造成漏油。行星架轴承决定一端采用圆柱滚子轴承，靠煤壁侧的一端最佳采用双列圆锥滚子轴承，该轴承承受轴向力大，安装时不用调整轴向间隙，轴向窜动小，保证浮动油封有一定的压缩量而不致漏油。

3.4 调高液压系统的研究和设计

调高液压系统最常见的问题是齿轮泵损坏，系统发热问题。从系统设计上将调高控制油路与调高工作油路分开，采用双联泵，大泵是调高油缸油源，小泵是控制油源，这样就可以有效地避免在系统中增设大流量的背压阀或减压阀，减少系统的发热。根据泵的流量进行相匹配的操纵阀组，液压元件选型及管路结构设计，系统增设冷却器等技术措施，有效地降低了油液温度，提高了齿轮泵的使用寿命。

3.5 电气控制系统和结构技术研究

1）采用“一拖一”、直接转矩控制方式（DTC控制）

交流变频调速系统采用“一拖一”方式，就是指一台变频器拖动一台牵引电机，一台采煤机由两个变频器分别控制两台电机，选用ABB的ACS800系列变频器，采用DTC控制方式，即直接转矩控制，又兼有主、从应用宏。主、从应用宏标准软件这样可以解决两个牵引部受力平衡问题，避免造成牵引部、行走机构的损坏。

2）选用完善的控制、监测保护功能

控制系统选用用可编程控制器PLC和工控机控制，大屏幕彩显，具有智能检测的故障自诊断功能。

3）选用网络数据传输系统

能够将采煤机信息实时传至顺槽监控中心，经过视频系统将采煤机视频信息实时传至地面调度中心，再由地面调度中心传至厂家监控中心，厂家可以通过视频对现场进行指导服务。

4）电气结构设计思路探讨

高压开关箱、变频器箱和高压器箱分别装入机身的框架内，电控箱不受力，拆、装、运、维修方便。电气的高低压元件采用分箱布置，增强了抗干扰能力。变压器箱三面环水，有效地解决了变压器散热问题，具有良好的冷却效果。

3.6 采煤机试验方法思路探讨

采煤机部件安装完毕后需要对部件进行模拟工矿试验，可以选用水力测功机加载模式和电反馈加载模式，水力测功机加载模式与电反馈加载模式比较，功率损失比较大，大多不能实现全部自动化模拟工矿实际情况，电反馈加载模式是比较流行的加载部件方法，能够实现全自动化模拟工矿试验，在部件加载过程中可以单个摇臂或者两个摇臂对拖方式都可以实现加载，牵引部可以采用对拖方式加载，既方便又快捷的实现加载。

4 社会经济效益及推广应用成果

大功率交流变频电牵引采煤机在整体结构设计、技术性能、生产能力指标等方面均选用具有高度的智能化、自动化和网络化，可靠性高的特点，通过井下工业性试验，进一步提高完善大功率采煤机的设计和制造，逐步取代进口同类产品。

大功率采煤机研制选型的应用将有广阔的市场需求和良好的推广应用前景，势必为企业带来巨大的经济效益。

【参考文献】

[1]张波，张强，高顺武.浮动密封的应用[J].煤矿机械，2010，31（5）：175-176.

[2]张衡，张红山.综采工作面设备选型与配套原则研究，《中国科技博览》，2014.

[3]冯英博，张立超.大倾角大采高“三软”煤层综采工作面设备选型研究，《煤矿机械》，2012.

[4]李正甲，姜光，李勇.一次采全高综采工作面设备选型应用研究《煤矿科技》，2013.

[责任编辑：朱丽娜]