急倾斜大采高采煤机的研制与应用

史春祥

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

随着近年来煤矿开采技术与装备的进步，工作面倾角在45°以上的大倾角开采和采高在5 m以上的厚煤层开采均取得了长足的进步与突破[1-5]。现有机型中能应用到45°的大倾角采煤机，机身质量低于60 t，截割功率不超过450 kW，总装机功率不超过1 200 kW，其截割能力不足，采高均在4.2 m以下，无法达到5 m及以上大采高。而能应用于 5 m及以上采高的机型，机身质量超过90 t，由于其机身重、牵重比小、爬坡能力差，一般只能适应35°以下工作面，无法实现45°大倾角开采。

通过对采煤机总体参数的研究分析，对整机进行轻量化设计，对润滑与冷却系统、牵引和制动系统等关键技术进行研究，解决了厚煤层大功率采煤机爬坡能力差、齿轮传动系统润滑与冷却效果不佳、牵引和制动可靠性不足等关键问题，开发出适应于急倾斜大采高煤层的采煤机，以满足市场的迫切需求。

1 总体参数确定

确定采煤机的总体参数，主要是确定机身质量、截割功率、牵引功率、机面高度、机身宽度等参数。

1.1 机身质量的确定

机身质量与牵引力息息相关，126 mm节距销排承载能力约350 kN，整机牵引力约700 kN，无法满足大功率采煤机牵引系统的需求。而147 mm节距销排承载能力约500 kN，整机牵引力约1 000 kN，已在大功率采煤机中得到广泛应用。故基于147 mm节距销排展开研究。采煤机在大倾角工作面上行时，与近水平工作面不同，在克服摩擦阻力、截割阻力的同时，还需克服机身的下滑力，即自身重力的分力。大倾角工作面的牵引力为：

F=G·sinα+f+R

(1)

式中：F为牵引力，kN；G为重力，kN；α为工作面倾角，(°)；f为摩擦阻力，kN，考虑导向滑靴蹩卡，取摩擦因数μ=0.4；R为截割阻力，kN。

在煤层倾角达到45°的情况下，式(1)的前两项之和达到0.99G。根据大倾角采煤机设计经验，考虑到克服截割、拖缆等阻力的需要，在此基础上增加25%的富裕量，则牵引力F≥1.24G。根据147 mm牵引系统1 000 kN的承载能力，则G≤F/1.24≈810 kN，故机身质量必须限制在81 t以下。

1.2 截割功率的确定

截割功率的大小与滚筒直径、滚筒转速以及截割扭矩的大小相关，截割扭矩为：

(2)

式中：T为截割扭矩，N·m；P为单滚筒截割功率，kW；n为滚筒转速，r/min。

其中，截割扭矩计算也可为：

T=F1·r

(3)

式中：F1为为滚筒截割切向力，N；r为为滚筒半径，m。

当采高5 m时，截割滚筒直径至少为φ2 500 mm。为了保证滚筒装煤效果，滚筒线速度一般控制在v1=3.5～4 m/s，即滚筒转速n=26.7～30.6 r/min。由于大采高采煤机截割煤质硬度要求为f4以上，根据截割力要求，滚筒截割切向力F1=130～150 kN。根据式(2)计算可得,截割功率P=454～601 kW。

1.3 牵引功率的确定

充分利用147 mm节距牵引系统承载能力，设计整机牵引力为1 000 kN，则单个行走轮牵引力为50 kN。为保证行走轮及其轴承的使用寿命，其规格尺寸不能过小，故设计行走轮齿数为z=12齿。为了实现高速开采的需求，采煤机整机牵引速度不应小于v2=10 m/min。同样，根据式(2)和式(3)，可以计算出单个牵引电动机功率P2>100 kW。

至此，整机质量、截割功率、牵引功率范围基本确定，再根据配套刮板输送机的型号，可以大致确定机身宽度。根据机身稳定性计算、牵引传动比设计及过煤高度等参数需求，可以大致确定机身高度。

2 机身轻量化设计

2.1 机身壳体轻量化设计

机身壳体主要包括摇臂壳体、牵引箱壳体和中间电控箱壳体。

1) 摇臂壳体。由于形状复杂且布置有冷却水套，摇臂壳体采用铸造加工，采用Cr、Ni、Mo合金钢铸造，通过模拟浇注(图1)，确保壳体浇注质量，避免浇注缺陷。通过调质处理，摇臂壳体硬度达到220～260 HB。通过有限元应力、应变仿真分析，进一步优化壳体结构，使壳体许用应力大于工作应力的2倍，见图2。在确保壳体强度、刚度的前提下，通过减薄壳体厚度减轻壳体质量。

图1 摇臂壳体模拟浇注图

图2 摇臂壳体应力云图

2) 牵引箱壳体。牵引箱壳体采用Q550高强度钢板焊接而成，其壁厚可比铸造壳体减小1/4以上，整个壳体质量减轻20%以上。

3) 中间箱体。中间箱体同样采用Q550高强度钢板焊接，箱体本身既是结构件，也是防爆壳体，所有电控元件直接安装在箱体内部。由于采用整体式结构，减少了一层电控箱体，所以减轻了中间箱体的总质量，同时也减薄了机身厚度，增大了过煤高度。

2.2 大功率、小尺寸齿轮传动系统设计

传动系统自身尺寸不仅关系到自身质量，而且影响传动壳体质量。齿轮传动系统采用直齿传动和行星传动结合的方式，采用18Cr2Ni4WE材料，通过层深接触应力计算，对包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命在内的疲劳寿命进行计算，确定了传动齿轮采取薄壁轮缘的设计思路，同时采取深层渗碳和磨齿后强化喷丸的工艺措施，轴承全部采用高品质轴承。整个传动系统以10 000 h进行寿命校核，在保证齿轮和轴承寿命的同时，减小齿轮尺寸，缩减了整个传动系统外形尺寸，从而减小了整个传动系统质量。

3 齿轮传动系统润滑与冷却系统设计

由于采煤机的齿轮传动系统传递功率大，故要求传动系统中润滑与冷却的设计更加高效、可靠。

3.1 润滑设计

设计采用3种润滑方式：

1) 飞溅润滑。依靠浸入齿轮润滑油中的齿轮、轴承在高速旋转过程中将润滑油溅洒到位置相对较高且未直接浸入油液中的齿轮啮合副、轴承或密封结合面，形成自动润滑。

2) 分腔润滑。将摇臂行星减速器与直齿传动箱之间用密封件隔离开，两腔单独润滑。同时，由于直齿润滑段传动链较长，故也分割成两段独立的润滑油池。

3) 强迫润滑。以摇臂调高系统回油作为动力，驱动泵马达组件，泵马达组件将摇臂低位的齿轮油吸出，通过管路注入摇臂行星减速器。摇臂摆动位置不同，油池相对低位在不断变化，以换向阀阀芯重力控制低位吸油。摇臂润滑液压原理如图3所示。

图3 摇臂润滑原理图

3.2 冷却设计

齿轮传动系统中，若轮齿啮合与轴承运转产生的热量不能及时散发，将造成齿轮传动箱温度偏高，尤其是在高功率密度的传动箱中。通过分析摇臂在各种工况下的热源及传导途径变化情况，对壳体水套的循环冷却回路进行优化设计，加强高温部位的冷却效果。同时在传动箱内部油池底部、顶部，以及高速级空腔中增加若干组铜质冷却水管组，以提高导热效果，在冷却管外侧焊接一定高度螺旋状散热片，增大散热面积，最大程度地降低油池温度。冷却管组结构如图4所示。

图4 冷却管组结构简图

4 大功率大倾角牵引、制动系统设计

4.1 大功率大倾角牵引系统

该机型采煤机配置了基于直接转矩控制的大功率四象限变频调速装置，由ABB四象限变频器与特殊设计的能量回馈单元组成，系统具有快速转矩响应、低频转矩控制和高精度动态响应等特点。系统内置主从控制程序，外部控制信号只与主变频器连接，主变频器通过光纤串行通信链路控制从机，均匀分配负载的同时，保证运行稳定。配合液压制动器报闸，设置相应控制参数及保护，确保控制时序准确，机电动作协调一致。

4.2 高可靠性液压制动器

为确保制动可靠，设计了静制动力矩达到800 N·m的液压制动器，左右牵引部均设置于牵引一轴。根据牵引传动减速比等参数进行计算，得到单个制动器提供的制动力约为714 kN。考虑到机身质量为80 t，摩擦因数μ=0.4，工作面倾角45°，则单个液压制动器提供的制动力在防止整机下滑时的安全系数已达到1.5以上。同时，为了防止因内外摩擦片间的间隙较小，在松闸时可能发生摩擦片之间不能彻底分离，导致摩擦片过热烧毁的情况，在摩擦片间增加波形弹簧，确保摩擦片在松闸时的安全间隙，有效改善发热情况，彻底避免了摩擦片的非正常损坏，确保大倾角机组安全运行。

此外，采高自动检测与控制技术、手持式OLED中文实时监控双向无线遥控技术、油液集中加注等诸多技术的研究与应用，进一步满足了大倾角工作面机组的操作和维护需求。

5 MG550/1380-WD型采煤机的研制参数

图5为MG550/1380-WD型机载式交流电牵引采煤机的配套断面图。该机型采煤机成功地解决了大倾角、大采高、大功率、较大机身质量之间的参数匹配问题，其主要技术参数为：

图5 MG550/1380-WD型采煤机配套图

6 应用实例

MG550/1380-WD型采煤机在川煤集团华荣能源股份有限公司花山煤矿进行实际应用。工作面煤层含夹矸4～8层，夹矸厚度0.9～2.4 m，夹矸平均厚度1.54 m，煤(岩)层总厚4.18～5.37 m，工作面实际平均采高5.1 m,工作面倾角39°～45°，平均42°，走向倾角8°～25°，工作面长度121 m。工业性试验期间，尽管受运输系统限制，在工作面维护等方面占用了大量生产时间的情况下，仍然取得了平均日产6 236 t的成绩，创造了西南片区单个工作面开采的最高记录。使用过程中，采煤机的适应性、可靠性经受住了严峻的挑战。

7 结论

急倾斜大采高采煤机技术的研究及相应机型的开发，解决了大倾角、大采高、大功率、较大机身质量之间参数匹配问题，具有工作面适应性好、可扩展性强、可靠性高及低护方便等特点。该机型可实现系列化设计、生产，进一步扩展了应用范围，为复杂地质条件下高效、绿色开采提供了坚实的设备保障，具有良好的经济效益和社会效益。