7.2 m采高厚煤层采煤机的设计思考

董 建

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤矿厚煤层的综采效率受到许多因素影响，其中主要影响因素有经济成本、技术水平和地质状况差异等，目前，厚煤层的综采主要使用大采高综采、绽放开采和分层综采等三种综采方式。在大多数煤矿中的7.2 m厚煤层开采中，存在煤层冒放性较差、煤质较硬和综采中浪费资源、效率低下等问题，但其煤层赋存稳定，水平接近，具有极高的综采效益，因此对其进行综采选择一次采全高技术。

1 厚煤层采煤机介绍

1.1 厚煤层采煤机的结构

7.2 m厚煤层采煤机由四个系统、八个结构、破碎机和中间控制箱组成，其中四个系统分别是电气系统、传动系统、冷却系统和动力系统，八个结构是指分布在机身左右共八个的四种设备，分别是行走箱、摇臂、滚筒和牵引部。其中电气系统通过人工指令操作，收集并控制综采相关数据，是整个采煤机的大脑；传动系统执行采煤机的操作指令，例如行走和截割等行动指令；冷却系统则对采煤机的重要结构和零件进行冷却，并对作业面喷雾降尘，以改善作业环境；动力系统通过液压设备提供的动力来进行破碎机和摇臂的升降[1]。

1.2 厚煤层采煤机整机的特征

7.2 m厚煤层采煤机的整机特征体现在对油缸的位置进行调整，主要有两种调整方式分别是上置调整和下置调整。采煤机的油缸位置对其自身重心、液压系统的工作压力、过煤体积和其自身高度都存在影响。对于适用于7.2 m厚煤层开采的采煤机，其设计通过借鉴6.3 m采高采煤机的经验，并结合采煤机调高方案，设计出重量较大的摇臂和滚筒的采煤机。对油缸位置进行上置调整时会对摇臂的操作造成影响，需要加大机器高度和油缸外径大小。在采煤机的油缸位置调整过程中还需要考虑采煤机在4.0 m最薄煤层的开采，最薄煤层的开采需要的机器高度越低越好。降低动力系统中的液压设备的工作压力能够提高系统稳定性，可以通过对厚煤层采煤机的油缸进行下置调整，使液压设备中的调高油腔不受外力作用。

2 厚煤层采煤机的核心技术分析

2.1 整机稳定性

7.2 m厚煤层采煤机在高煤层进行开采作业时，由于机器高度较大，容易发生机身的不稳定而损坏机身系统的问题。通过分析机身在截割煤层中的受力状况，可以避免因机器的不稳定造成摇臂结构和行走箱系统的损坏。本文通过查阅文献并总结世界范围内的采煤机稳定经验，得出采煤机主要通过控制机器的重心实现整机的稳定性，即将采煤机整机的重心高度进行大幅度降低，并结合科学合理的设备配套方案，将其重心偏移到输送机的运输槽中心[2]。

2.2 轻量化设计

对于7.2 m厚煤层采煤机的轻量化设计，主要考虑滚筒与摇臂的减重优化设计，滚筒与摇臂悬挂在机器煤壁侧，在采煤工作面进行采煤作业，其受力状态较为复杂，在最初的7.2m煤层采煤作业中，许多国家都出现采煤机摇臂减速器损坏的状况，所以对采煤机的整机减重优化设计，一般从滚筒和摇臂的减重优化来开展采煤机的轻量化设计。

2.2.1 滚筒减重优化设计

厚煤层采煤机的截割滚筒的质量较大时，会使采煤机的重心向质量重的一侧偏移。滚筒的质量太大会降低机身稳定性，需要控制滚筒质量，使其质量不影响机身重心。此外，采煤机的滚筒结构不对称、直径较大，进行减重优化也要考虑滚筒重心的影响，需要对其重心进行控制，并在静平衡下试验重心是否偏移，以免滚筒在作业中旋转重心偏移，产生额外的变交动负荷及其自身的动载荷作用在采煤机上，造成采煤机的损坏。对采煤机的滚筒进行减重优化设计，要对滚筒的平衡性、结构强度和质量做优化调整，在保证前两者的基础上减轻滚筒的质量。截割滚筒轻量化设计主要有：

1）设计新的滚筒结构，应用箱式构造来对滚筒进行优化，在分析计算其结构强度后以保证滚筒新结构的强度符合要求；

2）对处于恶劣的施工状况下的滚筒进行改进，可以对其连接盘和端盘材料的改进着手，通过使用高强度的材料来焊接滚筒，在改进过程中保证工艺规范可靠；

3）在采煤作业中采煤机的滚筒不耐磨损是因为受到冲击和磨损，使用耐磨材料对其进行改进可以降低其磨损率；

4）减轻滚筒质量还可以通过在端盘上开孔，开孔需要考虑其对卸煤口的影响，一般使用腰形孔的方式进行开孔；

5）对滚筒在截割煤中的稳定性和截割效率的提高，可以通过增加截齿的方式来实现。

2.2.2 摇臂壳体减重优化设计

厚煤层采煤机的摇臂结构在采煤作业中，其壳体受力情况较为复杂，同时受到压应力、冲击应力、拉应力和弯曲应力等应力的作用，使摇臂壳体发生脆性断裂、疲劳断裂和壳体变形。大采高采煤机的摇臂减重优化要考虑采煤机的功率和其他合理因素，再对摇臂壳体的质量进行减轻以达到摇臂减重优化，其优化设计主要有：

1）将摇臂的壳体换成高强度材料，对其进行热处理，可以提高壳体的韧性和强度；

2）使用三维建模和有限元分析等软件，对壳体的局部部件和主要部件的结构进行优化设计。

2.3 重型行走系统优化设计

7.2 m厚煤层采煤机的牵引力最大能达到1 320kN，一般采煤机的大修周期要求其过煤量达到300万吨，为了达到采煤机的大修周期设计，要对其行走系统进行改进，提高其承载能力，对行走系统的改进可以从行走轮和导向滑轮两个方面进行。厚煤层采煤机中使用的行走轮是大节距行走轮，对其改进可以应用电渣重熔钢技术，严格控制其工艺，并进行强化喷丸和渗碳。而对导向滑轮的改进可以从行走轮与销排的啮合着手，对两者的中心距进行控制来实现行走系统的改进。

2.4 大采高大功率采煤机破碎机设计

在采煤作业中，采高增大会发生片帮并有大煤块出现在工作面的现象，对于这些大煤块可以使用破碎机进行破碎，避免其因体积过大而堵塞过煤通道。破碎机通过臂架联接在牵引箱壳体上，再通过油缸的伸缩来调节破碎机构所处的位置，以适应破碎时所需要的高度和破煤量[3]。对7.2 m的厚煤层进行综采，想要保证其高效率和高产率，需要将破碎机功率增大到250 kW。7.2 m厚煤层中常用的采煤机破碎机型号为MG1000/2540，与其他国家的破碎机进行对比如表1所示。

表1 破碎机参数对比

3 结论

设计满足7.2 m厚煤层的采煤机需要考虑其油缸位置调整方式，采高的最小和最大高度。MG1000/2540-GWD采煤机性能好、设计合理，适用于7.2 m厚煤层的综采工作条件，可满足国内煤矿企业高产高效的采煤需求。