大倾角采煤机的关键技术研究与典型应用

2018-03-22钱立全唐葆霖

采矿与岩层控制工程学报 2018年5期

钱立全，唐葆霖

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

通常把倾斜角度在35°以上55°以下的煤层称为大倾角煤层[1]。大倾角煤层约占我国煤炭探明储量的20%和产量的10%，且半数以上为优质焦煤和无烟煤[2-3]，而南方地区80%的矿区赋存有大倾角煤层[4]。大倾角煤层开采生产效率低、劳动强度高，是公认的难采煤层。大倾角煤层开采理论与关键技术研究进展缓慢。近年来，随着高产高效技术的快速发展，我国厚与中厚煤层开采技术与装备都取得了长足进步。随着经济发展需求与开采强度的增大，许多矿井不得不由条件相对较好的近水平及缓倾斜中厚煤层开采转向难采煤层开采。开展大倾角采煤机关键技术研究，有效解决现有采煤机在大倾角工作面遇到的难题，进一步提高大倾角工作面综合机械化水平，对我国煤炭行业技术进步和煤炭工业的持续发展意义重大。

1 大倾角工作面开采对采煤机的技术要求

1.1 牵引与制动

对于大倾角工作面开采而言，由于工作面倾角增大，上行割煤时，采煤机除了需要克服上行截割阻力、采煤机与刮板机之间的摩擦力外，还要克服采煤机自身下滑分力。工作面倾角越大，下滑分力就越大，需要的牵引力也越大，以保证采煤机能在大倾角工作面上顺利行走。下行时，则截割反力与摩擦阻力不足以平衡采煤机下滑分力，需要采煤机能提供可靠的制动力，以保证采煤机在大倾角工作面上运行平稳不发生“飞车”，且工作面倾角越大，需要的制动力也越大。停机时，采煤机应具有可靠的机械制动，防止采煤机下滑。

1.2 润滑

良好的润滑是齿轮传动系统可靠运行的重要保障。对于大倾角采煤机而言，开采过程中，摇臂大多数时间内都保持一定角度。在油液体积一定的情况下，如果不采取特殊措施，则往往难以保证摇臂高处的齿轮、轴承及密封件始终处于较好的润滑状态，从而对摇臂的可靠运行和使用寿命造成较大影响。因此，大倾角采煤机必须具备高效润滑系统。目前大倾角采煤机较为常用的润滑方式为强制润滑和分腔润滑。强制润滑系统能对采煤机各齿轮、轴承输油润滑，但需要专用润滑油泵及设置润滑油路，往往用于倾角大的工作面。分腔润滑系统通过将减速机构分隔为多个单独的腔体来保证齿轮、轴承的润滑，但结构复杂，油腔空间小，散热条件差，在较大倾角工作面仍会出现高处齿轮、轴承润滑不良的情况。

1.3 装煤效果

在近水平和缓倾斜煤层开采时，采煤机前滚筒割落的煤块相对于煤层底板有一定落差，并且沿滚筒切向、轴向都有一定的初速度分量，因此大部分落煤都能通过螺旋叶片推送或甩到刮板输送机内，剩余部分形成的浮煤，也可以由后滚筒装入刮板输送机。而现场生产实践表明，大倾角煤层长壁综采面采煤机装煤效果远不如缓倾斜煤层，而且工作面倾角越大，尤其是上行割煤时，装煤效果越差[3]，成为制约生产效率和产量的重要因素。因此，大倾角工作面开采，对改善采煤机装煤效果具有迫切需求。

综上所述：大倾角采煤机必须具备制动可靠、牵引力足、润滑良好、装煤率高等特性。

2 大倾角采煤机的关键技术研究

2.1 提升牵引与制动性能研究

2.1.1 强力牵引系统开发

针对大倾角工作面的工况特点，大倾角采煤机应注重牵引能力的提升。通常，可以通过加大牵引功率和开发大节距行走系统来提升大倾角采煤机的牵引能力。目前，国内用于大倾角煤层开采的采煤机，其最大牵引功率已由150kW提升至200kW，而用于薄、中、厚大倾角煤层开采的各系列采煤机，为了提升牵引性能及可靠性，也普遍在条件允许的情况下，通过开发151mm节距、176mm节距强力行走系统取代原来的126mm节距、147mm节距行走系统，使采煤机的牵引能力取得大幅提升。同时，为了提升大节距行走轮本身的可靠性及其与刮板运输机销排的啮合特性，国内采煤机研发机构还通过应用多体动力学软件对行走轮与销齿啮合参数进行仿真分析，根据仿真结果，对齿形进行修形，开发出运动学和动力学特性更佳的新型行走轮齿阔曲线。

2.1.2 轻量化设计

除了增强牵引系统自身的牵引能力，通过合理的技术途径对采煤机大部件进行轻量化设计，也是进一步提升大倾角采煤机适应能力的重要措施。采煤机大部件轻量化设计要兼顾可靠性与开发成本。以采煤机摇臂为例，作为采煤机核心部件，其对整机可靠性及开机率的重要性不言而喻。一方面通过开发新型高强度合金铸钢材料，来替代原来的ZG270-500，ZG25MnNi等进行摇臂壳体铸造，同时开发了相应的铸造与热处理工艺，使采煤机摇臂壳体硬度、抗拉强度等都在原有基础上取得显著提升[5]，一定程度上控制了壳体尺寸和成品重量。另一方面，还可以采用有限元分析技术对设计的采煤机摇臂壳体强度进行有限元分析，根据模拟的应力分布进行结构优化，去除多余材料，提高关键部位处的强度，从而进一步减轻壳体重量。

2.1.3 高可靠性制动器开发

用于大倾角工作面的采煤机，必须配置制动装置即制动器。制动器制动性能的可靠性将为大倾角采煤机的安全运行提供保障。现场应用发现，制动器损坏通常伴随着发热。而数值模拟和物理试验研究均表明，摩擦片间的间隙偏小引起的内摩擦片分离不彻底是造成制动器发热烧毁的主要原因。因此，在摩擦片间增加波形弹簧并确保摩擦片间隙，可以有效改善发热状况。同时，通过制动性能冗余设计，使得即使当一侧制动器失效，仍能保证单个制动器提供的制动力即可使采煤机可靠制动。

2.2 高效润滑系统研究

大倾角工作面，摇臂尤其是上摇臂的润滑显得尤为重要。为了保证齿轮传动系统中齿轮、轴承与密封件的润滑，同时达到温度场的平衡，大倾角采煤机采用强制润滑方式。开发了大倾角采煤机摇臂专用机械式螺旋泵，由一轴齿轮带动螺旋泵轴一起高速转动，以螺旋叶片将高速级的齿轮油通过壳体上设置的油道输送到行星减速器腔体、轴承内，齿轮油再回流至高速级，如此循环往复。对于下摇臂而言，由于下行割煤时，下摇臂割上刀，摇臂基本处于水平状态，即便只靠飞溅润滑也能满足润滑要求。

2.3 提升装煤效果研究

2.3.1 滚筒装煤规律研究与参数优化

建立滚筒装煤的3D离散元模型，针对滚筒直径、叶片直径、轮毂直径、叶片升角、截齿的排列和角度等滚筒结构参数和滚筒转速、采煤机行走速度等工作参数，研究和发现单因素和多因素对滚筒装煤效果的影响规律。将仿真结果与滚筒实际装煤效果进行印证并修正和完善仿真模型，从而有效指导采煤机螺旋滚筒结构设计和参数优化，为保证滚筒装煤效果提供保障。

2.3.2 挡煤板的使用

在大倾角工作面，随着煤层倾角增大，落煤越来越难以及时装入刮板输送机，而刮板输送机向煤壁侧推移时，铲煤板也难以将落煤装进刮板输送机的中部槽，从而造成浮煤堆积和块煤率下降，进而导致刮板输送机推移不畅，严重降低生产效率。为了解决该问题，可以在摇臂上加装弧形挡煤板，并根据需要将其与滚筒设计成一定夹角。这样，当落煤离开叶片到达滚筒与挡煤板之间时，煤受到指向侧方向的分力，在后续落煤的挤压和推动下，大部分都将装进刮板输送机内。

3 典型应用

适用于倾斜煤层MG750/1920-WD型电牵引采煤机，针对强力牵引系统关键技术进行了攻关，国内外首次采用176mm大节距牵引行走系统，整机牵引力达到1350kN，同时，通过壳体结构优化设计和高强度材料的使用，将单个摇臂的重量降低约1/4，整机牵重比达到1.35倍，使得大功率采煤机首次达到35°倾斜工作面开采要求。该装备在神华宁夏煤业集团有限责任公司所辖羊场湾矿、清水营矿、金凤矿等地进行了推广应用，整机性能可靠，并能确保可靠的制动性能。

适应大采高大倾角煤层的MG550/1380-WD型采煤机，通过设置强制润滑泵解决了传动系统在大倾角条件下的强制润滑问题；采用冗余设计开发的高可靠性YDD800型液压制动器，解决了采煤机在大倾角条件下的可靠制动问题。该装备在川煤集团华荣能源股份有限公司花山煤矿4238工作面进行了工业性试验，煤层厚度4.18～5.37m，工作面倾角39°～45°。其在采高超过5m时实际应用倾角达到45°以上，技术水平达到国际先进。该装备在应用于淮北矿务局大俯采大倾角工作面开采时，通过优化螺旋叶片焊接角度、在摇臂上增加弧形挡煤板等技术措施，使装煤效果取得显著提升[6]。