一种刮板输送机的升级改造与应用

韩振华

（峰峰集团 河北天择重型机械有限公司，河北 邯郸 056200）

0 引言

在煤矿回采工作面中，为了保护工作面内设备和人员的安全生产，要对顶板进行支撑和管理，以防止工作面顶板冒落。支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支柱和液压支架。它们与采煤机和刮板输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”设备[1]。不同的配套型式，刮板输送机的结构形式也各不相同。随着国家政策导向及煤矿高产、高效、安全等要求，“普采”与“高档普采”开采工艺已相继淘汰，配套有液压支架的综合采煤装备逐步成为采煤作业的首选设备。

1 原刮板输送机的应用情况

刮板输送机是综合机械化采煤工作面的主要运输设备，除运送煤炭外，还可作为采煤机的运行轨道、液压支架移架的支点，并兼有清理工作面浮煤，放置电缆、水管等功能②。需升级改造的刮板输送机型号为SGZ630/264，在矿方与采煤机、单体液压支柱、铰接顶梁配套，组成“高档普采”。但由于单体液压支柱支、撤及移动仍靠人工进行操作，所以劳动强度仍然较大，安全性也差，工作面的产量和效率的提高受到限制。同时，工作面底板为砂质泥岩，遇水变软，单体支柱“钻底”情况比较严重。

为改善回采工作面的工作条件、降低工人的劳动强度，有效增加作业安全性，使工作面的产量和效率得到较大的提高，矿方决定购置液压支架进行顶板管理，将工作面设备升级为“综采”装备。但现有采煤机、刮板输送机均为新采购设备，为降低投资成本，避免设备闲置，矿方有意保留原采煤机，对刮板输送机进行改造设计以满足开采要求。

如图1所示，原刮板输送机中部槽推移耳为圆盘结构，用以固定单体支柱实现推移。现需将刮板机中部槽进行改造设计，实现与液压支架的“综采”配套。

图1 原刮板机中部槽

2 中部槽改造方案的确定及优化设计

分析原刮板机中部槽结构特点，影响工作面“综采”配套是该中部槽不具备与综采液压支架互为支点进行“推溜、拉架”的连接装置。若要解决这个问题，一种改造思路是保持原刮板机中部槽结构，将液压支架推移机构十字连接头设计制作成特殊结构去实现“推溜、拉架”，另一个改造思路便是改造刮板输送机中部槽，液压支架保持现有成熟的十字连接方式。综合上述两种方案，方案一中部槽圆盘结构满足“推溜”还可以，但是在“拉架”时，仅靠圆盘上的焊缝强度无法保证拉架力。同时，方案一中提到液压支架非标设计也不利于设备的备件管理工作。综上所述，明确了方案实施方向：对刮板输送机中部槽进行改造，将工作面设备升级为“综采”设备。

刮板输送机中部槽的升级改造首先是要满足“三机配套”的要求[3]。采煤机械产品中，采煤机、刮板输送机及液压支架相互之间性能的匹配和各空间尺寸的配套，在行业中称之为“三机配套”。“三机配套”作为采煤作业综合机械化装备选型的重要环节，其合理性直接关系到采煤作业的产能、效率和设备操作人员的人身安全。

综采工作面情况：1）开采方法为综采；2）煤层厚度为0.9～1.3 m；3）煤层硬度为f≤4；4）夹矸分布及厚度为无；5）工作面长度为130 m；6）工作面走向倾角为2°～7°；7）工作面倾角为1°～2°；8）工作面走向长度为1559 m；9）顶板和底板条件，顶板大多数为泥岩，局部为砂质泥岩或粉砂岩；底板为泥岩或砂质泥岩；10）运输顺槽尺寸（宽×高）为4.8 m×2.5 m；11）回风顺槽尺寸（宽×高）为4.8 m×2.5 m；12）工作面方向为右。即面向工作面，运输顺槽位于右手侧。

综采设备选型：中间支架型号为ZY3300/08/17；端头支架型号为ZZ5200/16/28；采煤机型号为MG210/485-WD；刮板输送机型号为SGZ630/264。

“三机配套”确定的主要技术要求：1）支架连接头采用单耳形式、刮板输送机推移耳采用双耳形式，推移连接销轴均为φ50 mm；单耳耳厚为80 mm；刮板机单边耳厚为70 mm；2）采煤机截深为630 mm；滚筒直径为φ1000 mm；3）刮板输送机采用整体铸焊封底结构，传动部垂直布置，采用端卸方式。

中部槽改造方案的确定：根据综采选型和“三机配套”，刮板输送机选用中双链封底结构的铸焊中部槽，头、尾双驱型式，该结构形式可实现启动平稳、工作可靠、事故率低、寿命长。同时，根据原有中部槽的结构特点及与液压支架的配套需要，制定出3套中部槽改造方案：1）方案一。如图3所示，将原推移耳及推移部底板去除，重新焊接推移底板和推拉耳，推拉耳仍采用单耳型式。该方案可以实现配套要求，但原底板进行更换、改造工作量较大。且中部槽元宝座底座和电缆槽连接立板由于氧气切割、二次焊接，容易造成较大变形，不能保证原有使用尺寸。2）方案二。如图4所示，将原推移圆盘去除，在原推移耳两侧、电缆槽连接立板以外加上两组与液压支架配套的推拉耳。新增推拉耳连接长度较短，焊缝长度无法满足结构强度要求，因此在原有推移耳组焊后钻3组销孔，由过盈配合销轴增强推拉耳与原中部槽之间的连接强度。该方案简单、实用，但需大型钻车或镗床进行钻孔作业，而矿方不具备相关加工设备。若整体运输回公司改造，不仅工期长，运输费用也较高。3）方案三。如图5所示，在方案二的基础上将新增的推拉耳延长至刮板输送机中部槽槽帮处，通过增加焊缝长度和三角筋板增强连接强度，可省去开孔作业。为进一步加强推拉耳与中部槽的连接，还可以提前用火焰切割的方式在中部槽底板上开塞焊孔。该改造方案既可以满足“综采”配套使用要求，而且实施成本低、周期短、可行性强。因此，最终采纳方案三。

图2 三机配套中部断面图

图3 改造方案一

图4 改造方案二

图5 改造方案三

中部槽改造关键部件受力分析及优化设计：

首先，利用SolidWorks软件[4]根据上述改造方案三对该刮板输送机中部槽进行三维建模，通过三维建模既可以直观地检查各改造方案的合理性及各改造尺寸是否有偏差，同时也为关键部件受力分析做好前期准备工作。

建模完成后，根据设备实际应用情况，利用SolidWorks中的Simulation功能对主要受力部件（推拉耳）进行固定和受力分析。分析前要计算ZY3300/08/17型液压支架推移千斤顶的推力和拉力，进而对刮板输送机中部槽施加外力。

液压支架推移千斤顶推力和拉力计算[5]：

1）推移千斤顶缸径D=140 mm，杆径d=85 mm，供液压力为31.5 MPa。

2）推移千斤顶采用正装方式，该安装方式液压支架推移刮板输送机的推力远大于所需推力。为减小推力，利用差动原理，推移千斤顶需配有交替阀组，将千斤顶进液和回液串通。

3）千斤顶无杆腔液压力F1= πD2/4×31.5=485 kN；千斤顶有杆腔液压力F2=（πD2/4-πd2/4）×31.5=306 kN；千斤顶推力F3=F1-F2=179 kN；千斤顶拉力F4=F2=306 kN。

受力分析过程中发现，由于拉移耳较长（拉移耳的长度根据“三机配套”尺寸确定），两拉移耳之间长孔处强度略显薄弱。经过计算和再次受力分析，增加了上、下加强拉筋，将推拉耳结构尺寸调整到最优，如图6所示。

图6 主要部件受力分析

通过优化设计，升级改造完的刮板输送机中部槽在采煤工作面与采煤机、液压支架性能相互匹配，结构尺寸空间也恰到好处，现综采设备已顺利推进1000余米，主要受力部件仍结构完好，整体应用效果良好。

中部槽改造方案的制作工艺说明（如图7）：1）根据综采配套需要，与矿方共同协商制定出此中部槽改造方案；2）将原80主耳板5通过切割的方式，修改至满足图样尺寸；3）将原底板7的4-φ27按照图样要求进行切割，以塞焊型式与侧耳1焊接；4）将原用于固定原80主耳板5的三角筋板去除，打磨平整，然后将侧耳1（侧耳）按照图样要求焊接于原80主耳板5两侧；5）按照图样要求焊接上封板2、下封板3、三角筋板4，以加固改造结构；6）焊接时，采取有效措施，尽量较少变形。

图7 中部槽改造

3 综采工作面机头布置及刮板输送机机头推移部设计

综采工作面机头、尾布置综采设备选型中，工作面中间液压支架型号为ZY3300/08/17，对应可实现工作面采煤高度为1.1～1.5 m。顺槽施工工艺为利用掘进机沿着煤层顶板卧底进刀，运输顺槽和回风顺槽高度均为2.5 m，这样一来工作面与顺槽之间便会有1 m多的高度差。根据这样地质情况，可以将刮板输送机传动机构布置为垂直方式，机头、机尾由工作面伸入到顺槽，在顺槽里布置ZZ5200/16/28端头支架，对端头区域进行顶板管理，同时兼顾刮板输送机机头、机尾的推移作业。这样的布置方式具有以下优点：1）刮板输送机整机结构里省去了中部槽和机头之间的过渡槽，采煤机滚筒可直接进刀到顺槽里，将煤壁完全割透；2）刮板输送机的传动机构布置在顺槽里，其维护空间比在工作面充裕很多，十分便于设备的后期检修及备件更换。

如图8所示，刮板输送机传动装置推移部设计说明：1）刮板输送机传动装置推移部作为传动装置的底座可以完成传动装置在顺槽里推、拉作业，其主要由推移耳、传动部底座、辅助拉移耳、高度调节装置等组成。2）该推移部整体采用旱船头尾的结构形式，以适应顺槽底板起伏不平、岩质松软设备下沉的地质条件。3）φ52 mm长孔、86 mm间距、60 mm板厚均配套ZZ5200/16/28端头支架推移部十字连接头进行设计。为满足工作面长度变化而引起的端头支架在顺槽里位置变化，该推移部的推移耳采用多组布置的方式，以进行位置调节。同时，推移耳之间焊接有连接板和加强筋板，进一步保证设备的推移强度。4）刮板输送机传动装置推移部增设有辅助拉移耳。该设计是为了保障在发生顺槽底板过于松软造成推移部下沉严重或其他突发情况时，可以利用绞车等为动力源，通过拖拽辅助拉移耳，配合端头支架的前推，顺利完成推移部的前移作业。5）根据采煤作业的实际工况，该推移部还要适应采煤工作面采煤高度的不断变化。为此，在传动部底座上，增设多组高度为150 mm的高度调节装置，高度调节装置与传动部底座之间以及各高度调节装置间用定位销和高强螺栓连接，以每档150 mm进行整体高度调整。6）该装置焊接时应采取有效措施保证4件推移耳板1的φ52 mm孔的同轴度。7）所有焊缝均为连续焊缝，焊缝高度为薄板厚度的0.6～0.8倍。

图8 机头推移部设计

4 结语

针对现有煤矿“高档普采”工作面，通过对矿方原有刮板输送机进行升级改造及投产应用，顺利将回采工作面装备由“高档普采”更换为“综采”。在设备升级改造时，综合考虑综采设备选型，“三机配套”，对3种中部槽改造方案进行各项对比及部件受力分析。同时，项目进行综采工作面机头布置方式的论述及刮板输送机机头推移部设计。

项目通过上述一系列的设备改造、优化设计及投产应用，达到了升级装备、提高生产安全性和作业效率、降低投资成本的目的。