煤矿机械设备的工况特点及润滑需求分析

李剑锋中国石化润滑油有限公司

本文结合煤矿机械设备的运行工况特点，对煤矿机械设备所使用的润滑材料及其选型进行了介绍，为进一步规范煤矿机械设备的润滑管理提供参考。

煤矿机械设备概况

煤炭一直是我国的主要能源和重要原料，在一次能源生产和消费构成中煤炭始终占一半以上。在“双碳”目标下，“十四五”时期我国将严控煤炭消费增长。2021 年我国全年能源消费总量52.4亿t标准煤，比上年增长5.2%。煤炭消费占能源消费总量的56.0%，比上年下降0.9个百分点[1]。虽然煤炭消费比重下降逐年下降，但这一比重仍然占据整个能源消费的最大份额。在未来较长的时间内，煤炭行业仍然在国民经济中占据重要地位，是我国主要的能源构成。

煤炭产业链主要包括开采、洗选、炼焦等，其中润滑油品需求量最大的是煤矿的开采，我国煤炭的开采，以井工开采为主，井工开采的煤炭产量约占总产量的80%，露天开采的煤炭产量占总产量的20%。据市场经验估算，井工煤矿每开采万吨煤，需消耗润滑油脂1.1 t（含液压支架乳化液）。

井下煤矿开采设备以综采和掘进设备为核心，主要设备详见表1。

表1 井工煤矿主要设备

一般而言，煤炭开采与洗选业固定资产投资中，约30%是设备购置投资，煤炭机械设备约占设备购置总体50%，综采设备约占煤炭机械设备总投资的70%。综采设备价值构成中，液压支架占比最大，达45%，掘进机、采煤机、刮板运输机分别占12%、13%、10%，其他设备占20%。

近30 年以来，通过引进、消化、吸收与再创新，我国重大煤机装备水平显著提高，与国外先进水平差距不断缩小，但在设备能力、可靠性、使用寿命、技术先进性等方面有待进一步提升。随着煤炭开采的安全性、效率、绿色、集约化要求的提高，我国煤机设备的竞争着力点正向综合化发展，即不仅需要在“单机”上有更强的竞争力，还需要向成套化、大型化、智能化与高端化发展，以提高上下游各企业之间的配套能力，抢占市场制高点。

煤矿机械设备维护现状

受工作环境影响，相较于普通的工业机械，井下煤矿机械的使用寿命明显较短，由于设备长期处于极端环境和高负荷工作状态，因此在开采工作中，需要频繁预留时间检修、维护以及更换降低生产效率的部件。

煤机设备的使用寿命通常用年限和过煤量来衡量。不同设备使用的寿命不尽相同。其中，液压支架使用寿命在1 000 万t 到3 000 万t之间，每处理1 000 万t 之后要做一次大修，3 次大修以上要报废。刮板输送机的大修条件为煤炭处理量800～1 000 万t，2～3 次大修后需要报废；掘进机寿命在3～5 年；采煤机使用寿命最长，一般在5～8 年。

煤机的维修维护包括大修、中修、小修。整机在完成一次采掘工作后需求进行例行检修。小修费用约为总机费用的 10%～20%，中修20%～30%，大修 30%～50%。使用2～3 年需要进行大修。润滑油的成本，约占总机费用的5%，因此对于煤机设备来说，选择性能优异的润滑油产品，对于延长零部件使用寿命，降低维护成本是有积极作用的。

煤矿机械设备润滑工况特点

井工矿煤机设备的主要运行工况有以下特点：

低速大扭矩常态运行

机械传动系统长期处于低速大扭矩的工作状态下，且由于煤层不可完全预测的原因，采煤过程中的负荷不稳定，常出现瞬间过载负荷，因此对油品的抗极压性能要求极高。

工作温度高

采煤机、掘进机和刮板运输机等齿轮传动系统，箱体空间狭小，散热效果差，箱体内部的工作温度可达到70 ～90 ℃，甚至更高，采煤机最高温度可达到160 ℃的工作温度，因此需要油品具备良好的热稳定性。同时需要油品具备良好的黏温性能，确保在高温状态下保持足够的油膜厚度保护传动部件。

工作环境恶劣

井下综采和掘进工作面长期处于多水多粉尘的工作环境，容易造成油品的污染，从而导致油品变质，因此需要油品有良好的分水性能和过滤性，确保油品在受污染后可以有效进行净化处理，维持正常运行。

液压系统压力

采煤机液压调高系统压力可达到27 MPa，掘进机液压系统压力甚至可达到31 MPa 以上，同时液压控制元件比较精密，因此需要油品有优异的流体传动性能，确保系统压力的稳定，同时需要油品有良好的清洁度，保证液压控制元件的正常动作。

煤机设备技术发展对润滑提出了更高要求

近年来，为了提高煤矿的生产效率，煤机设备的装备技术朝着大型化、智能化与高端化发展，高可靠性、高度自动化、强适应性和远程控制技术，都是煤机装备技术的发展趋势，因此需要油品有更好的可靠性和稳定性。同时，煤机装备技术发展要求整机及关键部件使用寿命延长，因此油品需要提供更好的润滑保护，具有更长的使用寿命。另外超大功率煤机设备逐步普及应用，也对油品提出了更苛刻的润滑性能要求。

煤矿机械设备对润滑材料的要求

润滑在机械部件传动和设备保养中均起着很重要的作用，设备润滑状态的优劣直接影响到机械设备的使用性能、工作精度和运行寿命，特别是对于煤机设备，润滑油液的正确使用对于保证采煤设备顺利运行非常重要[2]。从井工煤矿对润滑材料需求看，使用量最大的油品为液压支架乳化油，占总用油量的40%，其次液压油占总用油量26%，齿轮油占总用油量22%，液力传动系统用油占7%，其他油品约占5%。

从生产流程看，各生产过程由于设备配置的差异，用油需求不同，综采过程油脂消耗最大，占全部油脂消耗的50%，掘进过程润滑油脂消耗占比约40%，运输过程润滑油脂消耗约占10%。（以上数据未包含液压支架乳化油）。

从设备看，不同类别的设备对油品需求不同，其中综采设备主要使用齿轮油、液压油和液力传动油，其中齿轮油占比达65%，液压油占比约15%，液力传动油占比约20%；掘进设备主要使用液压油和齿轮油，其中液压油占比85%，齿轮油占比15%；运输设备主要使用齿轮油、液压油和液力传动油，其中齿轮油占比达50%，液力传动油占比约30%，液压油占比约20%。

综上所述，煤矿机械设备所使用的润滑材料主要有三大类，具体如下。

液压传动系统润滑

煤机设备液压传动系统按传动介质可大致分为两大类。一是液压支架，由于液压支架普遍存在泄漏情况，因此从环保及成本等因素考虑，采用乳化液作为传动介质。液压支架的传动系统利用乳化泵站提供高压乳化液体，通过立柱、推移千斤顶来完成升降和推移等动作。二是综采、掘进、提升等设备配备的液压传动系统，这些系统配置有柱塞泵和液压马达等高压元件，工作压力能达到25 MPa 以上，这些液压元件对油品在高压下的抗磨、防腐防锈等性能都有极高的要求，因此需选用矿物型液压油。

煤机设备液压传动系统常用的有以下4 种油品：

◇L-HM 抗磨液压油。其用于液压支架以外的液压传动系统，可满足配置有高压柱塞泵的液压系统使用要求，煤机设备普遍使用的牌号为L-HM 68 号，只有乳化液泵站曲轴箱部的润滑例外，大多使用L-HM 100 号液压油。

◇HFAE 乳化液。其是以基础油为载体，添加防锈剂、防腐蚀剂、络合剂、多种表面活性剂及消泡剂等多种添加剂复配调整而成。与95%（质量分数）左右的水调制成液压支架乳化液，主要作为液压支架、单体液压支柱等系统的动力传递介质，具有抗硬水能力，对液压支架常用的金属材料和密封材料具有良好的防锈性和适应性，但这种乳化液属热力学不稳定体系，乳化稳定性差，易油水分离，润滑性和过滤性均较差。

◇HFAS 浓缩液。其与HFAE乳化液的工作场景相同，也是作为液压支架、单体液压支柱等系统的动力传递介质，HFAS 浓缩液由亲水型的润滑剂和多种水溶性功能添加剂相互增溶，形成了热力学稳定体系，因此相比HFAE 乳化液，HFAS浓缩液具有更好的稳定性、润滑性和过滤性。HFAS 浓缩液与HFAE乳化液均与水混合使用，因此在牌号的选择上，需结合当地水源的硬度指标进行选型。

◇液力传动油。其主要用于煤矿机械的液力耦合器、变矩器等装置，作为流体传动介质和润滑介质，大多使用8 号液力传动油。但也有部分煤矿选用低黏度液压油L-HM32 号抗磨液压油用于液力耦合器或变矩器，这种使用方法会导致煤矿机械的动力损耗增加，同时也可能使液力耦合器或变矩器的工作温度过高。

机械传动系统润滑

煤矿机械设备中采用齿轮传动的部位较多，由于煤机设备的工况苛刻，工作温度高，且载荷大，因此齿轮润滑油需选用极压性能、热稳定性优异的矿物油型重负荷工业齿轮油，一些工况极度苛刻的部位如采煤机摇臂齿轮箱等，需选用合成油型重负荷工业齿轮油。

用于机械传动的润滑油品，属国家标准GB/T 7631.7-1995 润滑剂和有关产品(L 类)的分类的第7部分：C 组(齿轮)。

煤机设备机械传动系统常用的有以下2 种油品：

◇L-CKD 重负荷工业齿轮油。其适用于各种煤矿机械设备的齿轮传动部件润滑。按通常煤机设备的齿轮传动系统设计，一般选用L-CKD 320 号重负荷工业齿轮油。油品的牌号也可根据实际情况进行调整，如磨损程度较为严重的老旧设备，可选用L-CKD 460 号重负荷工业齿轮油，如因工况特殊导致齿轮箱过热，可选用L-CKD 220 号重负荷工业齿轮油，提高油品的散热效果。

◇L-CKT 重负荷工业齿轮油。其一般应用在采煤机摇臂齿轮箱等，存在过载频繁、稳定性要求高、工作温度大于100 ℃等极度苛刻工况的传动部位，主要使用L-CKT 320号重负荷工业齿轮油。同类产品中，长城AP-S 合成工业齿轮油性能全面超越L-CKT 级别的油品，具有更优异的性能，可适用于要求极高的采煤机摇臂齿轮润滑。

轴承、链轮、销轴及其他开放式运动部位润滑

煤矿机械设备中大量存在的轴承、链轮、销轴等部件以及一些开放式的运动部位，通常使用润滑脂进行润滑。润滑脂是一种半固体润滑剂，是在常温、常压下呈半流动状态，并且具有胶体结构的润滑材料。煤矿开采实际工况中，存在大量粉尘、水分，润滑脂具有良好的密封性、防护性和防腐性。

由于煤矿井下环境恶劣，设备维护条件比较有限，因此煤机用润滑脂需满足适用性强、使用寿命长、维护管理方便、操作简单等要求，在润滑性能方面，需要具备良好的极压性能、防锈防腐性能，且需具备较好的抗水性能。综合上述要求，煤机设备的轴承、链轮、销轴等部件和开放式的运动部位，可选用3 号极压锂基润滑脂。长城3号极压锂基润滑脂的使用温度范围为-20～120 ℃，适用范围广，可满足煤机设备苛刻的工况条件下的润滑要求。

煤矿机械设备润滑材料选型注意事项

煤矿机械设备种类繁多，结构复杂，运动部件及运动方式也各有差异，为煤机设备润滑材料进行选型也成为了设备维护的难点。由于不同时期采购的设备和制造商的不同，造成了设备维护手册中推荐的油品种类多、杂，且使用缺乏规范性。首先，设备制造商对润滑油技术发展缺乏足够的了解，因此在设备润滑的说明上几乎没有更新，甚至有推荐已作废很多年规格的产品，让用户无从选购。其次，不使用标准化油品名称，如18 号双曲线齿轮油、硫磷型齿轮油、40 号机油、黄油等不规范的油品名称在设备维保手册中会时常遇见，不利于油品的采购和使用。更严重的，还有设备维保手册会为了增加齿轮油的黏稠度，改善密封，建议用户往油里添加润滑脂，这是绝对禁止的用油方式。

煤矿企业在选择润滑材料时，首先要充分了解机械设备的实际使用工况及使用环境对润滑材料的要求[3]，并紧密结合实际工况和作业环境，进行合理规范的润滑材料选型，表2 列举了主要煤机设备润滑部位所需的油品名称，可作为煤机设备润滑材料选型的参考。

表2 井工煤矿主要设备润滑推荐

结束语

井下煤矿开采的恶劣环境以及低速重载、高温的设备运行工况，对润滑材料极压性能、热稳定性、黏温性能、防锈防腐性能、抗水性能等关键性能指标都提出了很高的要求，且井下换油补油的条件都非常有限，对油品的适用性也有较高的要求。因此，要保持煤矿机械设备的长周期平稳运行，润滑材料的选型需以科学的方法，选择合理的产品。

（续表2）

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