大功率、大采高電牽引采煤機的研制與應用

吳海雁

(西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

我國是能源需求大國，其中煤炭占能源總需求量的70%以上。在我國，煤炭提供了78%的發電能源、70%的化工原料和60%的民用商品能源。在未來的幾十年內，盡管新能源的發展和推廣將使煤炭在一次能源中的消費比重逐年下降，但煤炭的主導地位不會改變。高產高效礦井技術是當今世界采煤業發達國家普遍采用的一種較為先進的現代化采煤技術和管理方式，也是衡量一個國家煤炭工業發達程度的主要標志。我國自上世紀80年代高產高效礦井技術起步以來，煤炭工業得到迅速發展和推廣，采煤機作為高產高效礦井綜采設備的主要設備之一扮演了重要角色。

2 國內外綜采設備現狀

經過幾十年的引進技術、消化吸收和自主研發，我國煤礦綜合機械化采煤設備的研制水平已有長足進步。國內某些技術如綜采放頂煤支架技術處于國際領先水平，國產綜采設備的主要技術參數已接近或達到國際先進水平;國產綜采設備的機電一體化程度接近或達到20世紀90年代中期的國際先進水平;國產綜采設備的可靠性接近或達到20世紀90年代初的國際先進水平。國產設備的價格約是引進設備的1/2，中國煤機制造企業設計制造的煤礦機電裝備已經在國內各類煤礦廣泛應用，成為中國煤礦工業技術裝備的主體，為中國煤礦安全生產和高產高效礦井的建設提供了可靠的保證。

目前在我國陜北地區和內蒙古鄂爾多斯地區賦存著大量煤層厚度在6.5～7 m的優良煤炭資源。神華集團神東公司和陜西煤業化工集團神南公司正在生產的工作面平均厚度也多為6.5 m左右。由于對產量有著比較嚴格的要求，神東公司采高在6.5 m左右的工作面一直使用進口Eickhoff SL1000型和JOY 7LS7型采煤機。陜煤集團神南公司2008年為其紅柳林煤礦、張家峁煤礦、檸條塔煤礦分別安裝了西安煤礦機械有限公司研制的MG750/1910－WD型、MG900/2210－GWD型采煤機共三臺，特別是用于紅柳林1502工作面的MG900/2210－GWD型采煤機，是我國國產采煤機首次用于此類采高超過6 m、煤質硬度達到f5的工作面。

3 國內外大功率采煤機在6 m以上煤層工作面的使用情況

神華集團神東公司布連塔煤礦22303工作面使用的JOY 7LS7改進型大功率采煤機首次完成了7 m煤層首采工作，該工作面長度301 m，推進長度4 971 m，煤層平均厚度7.55 m。工作面投產后，每刀可割煤2 600 t，較6.3 m采高綜采工作面單刀多產300 t，提高了13%，每天按18刀計可多出煤5 400 t，月單產達到140萬t左右，資源回收較6.3 m采高工作面多采煤炭183萬t，回收率提高10%以上，創造了世界記錄。

2008年，西安煤礦機械有限公司以原有MG750/1910－WD型采煤機為基礎，綜合該型采煤機在大同四老溝等地的使用情況和國外同類型采煤機的技術特點，成功研制了適用于6 m以上煤層的MG900/2210－GWD型采煤機。采煤機上置油缸、高低壓屏蔽等多項核心技術均已申請國家專利。該型采煤機的各項參數(表1)均已接近或達到國外進口采煤機的水平。2009年8月，該型采煤機在陜西煤化集團紅柳林礦投入使用。

紅柳林煤礦采煤機技術參數見表1。2010年7月該臺采煤機升井大修時共產原煤660萬t，平均月產55萬 t。2010年8月 JOY 7LS6型采煤機在相同煤層繼續生產。通過對JOY 7LS6型采煤機和西安煤礦機械有限公司MG900/2210－GWD型采煤機在相同地質條件下使用情況比較，發現國內外6 m以上采高的采煤機性能參差不齊。在平均采高6 m，煤質硬度f5，割煤速度7 m/min的情況下，進口JOY采煤機相對于國產采煤機運行更加平穩。國產采煤機在截割機構行星頭、行走機構齒軌輪的耐用性和可靠性上都有待進一步提高。JOY 7LS6采煤機行走鏈輪過煤量為260萬t，國產2210－GWD型采煤機齒軌輪平均過煤量為120萬t，僅為進口采煤機的一半。進口JOY采煤機行星頭320萬t時第一次出現故障，國產采煤機為180萬 t左右出現故障。在電氣方面，JOY 7LS6型采煤機已在紅柳林實現順槽顯示系統，并在自動化(少人工作面)方面取得很大的突破。國產2210－GWD型采煤機僅實現了順槽顯示和部分數據的遠程監測，在工作面自動化方面還比較落后。

表1 采煤機技術參數

4 針對6 m以上煤層大功率采煤機的技改措施

為了進一步縮小與進口采煤機的差距，更好的為煤礦企業服務，西安煤礦機械有限公司以神南地區采煤機實際應用情況為依據，通過對采煤機整體機械、電氣系統進行改進，以及提供更好的售前和售后服務來提高能夠適應6 m以上大動率采煤機的可靠性和先進性。

4.1 整體結構調整及部件優化設計

利用先進的Solidworks三維設計對采煤機整體進行虛擬樣機重新設計，利用ABQUS有限元分析軟件對整機進行受力分析。對采煤機在特殊工況下的受力情況進行分析后，調整采煤機整體重心及結構強度，保證采煤機在6 m大采高情況下的穩定運行;有針對性地重新設計行走機構，改變行走齒軌輪齒形和模數、加長導向滑靴導向面，延長了行走機構的使用壽命;改變截割機構行星架軸承支承方式，使截割機構對截割阻力和軸向力有更大的承載強度;重新設計滾筒，減小采煤機截割阻力，降低滾筒所受的軸向力。

4.2 材料熱處理及加工工藝的改進

通過對 30CrMnTi、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W等材料的力學性能、實際工況使用結果進行比較，針對行走機構的獨有特征，選用耐磨性、抗彎強度更好的18Cr2Ni4W為采煤機材料。該種材料常用合金滲碳鋼，強度、韌性高，淬透性良好，在滲碳或調質的情況下具有非常好的力學性能，一般用做截面較大、載荷較高且韌性良好，缺口敏感性低的重要零件。為了解決導向滑靴耐磨問題，采用了西安煤礦機械有限公司導向滑靴鑄滲專利技術。

4.3 采煤機電氣系統改進

完善電氣系統的重載反饋減速功能，減小緩沖。當采煤機由于牽引速度過大，或者煤機突然遇到夾矸、過硬的煤層，導致牽引過程中所受的載荷突然增加的時候，采煤機會自然的減緩牽引速度，防止由于機組收到過大的沖擊載荷，對煤機的機械件及電氣件造成損壞。這樣就會避免出現機組剛到一個新面后由于工作面條件不成熟和工人的操作而對采煤機造成的損壞;設計具有顯示功能的手持遙控設備，讓工人在安全的前提下了解采煤機實時數據。基于西安煤礦機械有限公司MG900/2210－GWD改進型采煤機在河北金牛能源東龐礦大采高工作面使用2×150 kW牽引電機的成功經驗，對6 m以上大采高、大功率采煤機進行牽引功率升級。

4.4 提供完整的6 m以上大采高工作面的綜采工藝售后服務

(1)在綜采設備訂購前，為用戶提供選型及全工作面采煤工藝方案，這可以使用戶在訂購采煤機前就對以后的使用情況有一個比較清晰的認識，同時避免因為用戶對采煤機性能及適應采煤工藝的了解不充分而導致使用初期的大量誤操作。

(2)針對6 m以上煤層的特殊情況，增派服務工程師對用戶進行24 h的跟蹤服務，這樣可以實時了解采煤機運行情況，及時處理采煤機出現的故障，保證開機率。

(3)在6 m以上煤層賦存比較集中的陜北、鄂爾多斯地區建立強大的代儲備品備件庫，保證用戶24 h內得到所需備件。

5 大功率采煤機發展趨勢及應用情況

根據國家年產千萬t煤礦建設的要求，綜采工作面的高產高效是關鍵。根據進口采煤機近年來的發展動態及用戶反饋可知，綜采工作面自動化技術是采煤機今后的發展趨勢。

工作面自動化技術是指工作面的各種設備按預先設定的程序，互相配合自動運行。同時，把各設備的運行參數、設備狀態參數實時地傳輸到巷道中的“中央控制臺”或地面的“中央控制區室”，并采取“視頻監控”或其它技術手段對地面的地質情況的變化和“突然事故”進行監視，一旦發現地質條件發生變化或各設備之間不協調，操作人員可以在巷道中或地面進行“遠程的人工干預”。這樣，一般情況下，不需要人員跟隨采煤機、支架進行“跟機操作”。但設備不能智能的按地質條件的變化來自動調整運行參數與程序，目前國內外對“工作面自動化”進行過嘗試、進行過“試驗、試用”的煤礦，均屬于這種類型的“集中、遠程、程序控制”。

神華集團神東公司榆家梁煤礦從2004年開始進行“工作面自動化”的研究和試驗，取得了一些積極的成果。工作面上主要設備為JOY公司的7LS－1A采煤機一臺，裝機功率1 162 kW，采用FACEBOSS控制，變頻牽引技術牽引速度22/32 m/min，采用“記憶切割”，在煤層比較穩定、頂底板條件比較好時，可以實現“自動割煤的循環運行”，無需操作人員跟機操作;支架采用紅外線裝置，實現跟隨采煤機的成組運行，自動實現“程序操作”;再輔之以采用攝像頭的“視頻監控”，及時發現工作面的地質情況變化和“意外事故”，由工作人員及時加以干預。另外，不少煤礦近年來對工作設備的運行狀況監測，安全情況的監視方面做了很多工作，有了較普遍的應用，但都只是“單向信息傳輸”。而采用國產采煤設備，實現“雙向信息傳輸”遠程、集中地對工作面設備進行“狀況監視”和“運行狀況控制”的“采煤機自動化工作面”還沒有。

2010年7月，西安煤礦機械有限公司與中國礦業大學合作開發的國家高技術研究發展計劃(863計劃)“煤炭井下采掘設備遙控技術”攻關項目已通過中期驗收，該項目承載機型MG900/2210－GWD型采煤機在內蒙古碾盤梁礦進入工業性試驗階段。該項目完成后，MG900/2210－GWD將完全具備以下功能:①采煤機順槽集中控制功能;②通過綜采工作面無線以太網和煤礦工業以太網連接，將采煤機運行參數和狀態傳送至地面監控中心，在地面操控中心能夠實現采煤機控制參數的設置;③采煤機記憶截割功能及記憶截割的遠程修正功能;④采煤機的虛擬3D監控功能，即以3D模式提供綜采工作面采煤機的實時工作畫面;⑤采煤機的傳感融合功能，即對采煤機的運行狀態和截割路徑傳感參數、變頻牽引單元的傳感參數進行在線綜合分析，在多傳感融合的基礎上，提供采煤機邏輯運行狀態的在線監測與評估功能。

6 結束語

隨著國家經濟建設有高速發展，煤炭行業也在進行跨越式的發展。通過2006年列入國家發改委“年產600萬t綜采成套裝備研制”項目，2009年1月啟動的國家863計劃“采煤機遠程控制技術及監測系統”重點項目等，極大地推動了國產大功率采煤機的技術改革和創新。相信在以“863”計劃重點項目為代表的一系列科技項目順利完成后，國產大功率、大采高采煤機將可以更好的為煤礦用戶服務，為建設年產千萬噸本安型煤礦作出更大的貢獻。

［1］ 馮涇若，楊健康，米朝陽．國內外大功率厚煤層采煤機技術與發展動向［J］．煤礦開采，2007，(2)．

［2］ 馮涇若，伍麗婭，趙勛蓋．國內外大功率厚煤層電牽引采煤機機電一體化新技術［J］．煤礦機電，2003，(6)．