綜采工作面重型刮板輸送機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

姜舉臣

（神華神東煤炭集團(tuán)公司三道溝煤礦，陜西 榆林 719400）

中國的煤礦以井工開采為主，占到煤炭總產(chǎn)量的80%，綜合機械化采煤是最先進(jìn)的井工采煤工藝，具有生產(chǎn)能力大、安全性高，回采率高、經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，現(xiàn)代化礦井的高強度生產(chǎn)模式對綜采設(shè)備的可靠性和自動化提出更高的要求。

1. 工作面刮板輸送機發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，在技術(shù)進(jìn)步和市場需求的推動下，刮板輸送機向大運量、長運距、大功率、高可靠性和長壽命方向發(fā)展，綜采工作面擺脫供電容量的束縛，重型刮板輸送機獲得空前發(fā)展，鑄焊式中部槽因可靠性高、制造靈活、配套方便得到廣泛應(yīng)用，中部槽內(nèi)寬達(dá)到1000～1400mm，鏈條規(guī)格為Φ42～Φ60mm，裝機功率2×700kW～3×1600kW， 輸 送 能力2500～5000t／h，輸送距離延長到300～450m，工作面年產(chǎn)量達(dá)到600～1000萬噸。

1.1 進(jìn)口工作面刮板輸送機在國內(nèi)的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代末，神東煤炭公司引進(jìn)美國JOY公司AFC1000/2×700型刮板輸送機，采用“雙速電機+摩擦限矩器”驅(qū)動，功率2×700kW，使用交叉?zhèn)刃斗绞?、鑄焊式中部槽和Φ38×137緊湊型鏈條，槽寬1000 mm，鏈速1.51 m/s，輸送能力2500 t／h，鋪設(shè)長度250 m，采高4.5m，年產(chǎn)量達(dá)到300～600萬噸。

2005年以后，神東公司又陸續(xù)引進(jìn)美國JOY和德國DBT的刮板輸送機，驅(qū)動功率3×855 kW和3×1000 kW，采用閥控充液偶合器或CST軟啟動方式、Φ48×152 mm的鏈條，鏈速提高到1.8 m/s，輸送能力3000 t／h，鋪設(shè)長度達(dá)到360m，采高5.5m，年產(chǎn)量達(dá)到800萬噸。

2007年5月，神東公司引進(jìn)JOY公司的AFC1250/3×1000型刮板輸送機在上灣煤礦6 m大采高工作面成功應(yīng)用，槽寬1250 mm、功率3×1000 kW，較先前的5.5 m采高煤炭回采率顯著提高。

2010年至今，神東公司引進(jìn)德國DBT公司的PF6H 1542/3×1600刮板輸送機在7 m采高工作面使用，槽內(nèi)寬1388 mm，采用Φ60 X181/197 變節(jié)距高強度鏈條，功率3*1600 kW，鏈速1.65 m/s，運量5000 t/h，設(shè)計長度400 m，年產(chǎn)量突破1000萬噸。

大量國外高端煤機裝備的進(jìn)入推動了國內(nèi)煤礦開采技術(shù)的現(xiàn)代化，同時對國內(nèi)煤機市場造成一定沖擊，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)煤機生產(chǎn)企業(yè)已具備較強的產(chǎn)品研發(fā)和制造能力，在競爭中不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)，推動了國內(nèi)煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步。

1.2 國產(chǎn)工作面刮板輸送機的發(fā)展

2002年10月，中煤張煤機公司研制的SGZ1000/2×700型刮板輸送機，在同煤集團(tuán)四老溝礦投入使用，槽寬1000mm，功率2×700kW，采用交叉?zhèn)刃丁⒄w鑄焊式中部槽、126mm節(jié)距鍛造銷軌、Φ38X137 mm緊湊型加強鏈，鏈速1.25 m/s，運量2500 t／h，設(shè)計長度250米，實現(xiàn)了4.5m一次采全高。

2006年7月，第一套國產(chǎn)SGZ1000/3×700型刮板輸送機在昌漢溝礦投入使用，使用Φ48×152mm緊湊型高強度圓環(huán)鏈、147 mm大節(jié)距整體模鍛銷軌、高強度交叉?zhèn)刃稒C頭架，適應(yīng)高5.5m，輸送長度300m、輸送能力3000 t/h，最高日產(chǎn)4.23萬噸、月產(chǎn)達(dá)到80.4萬噸。2007年9月，昌漢溝礦使用國產(chǎn)SGZ1000/3×1000型刮板輸送機在創(chuàng)出月產(chǎn)100.8萬噸、最高日產(chǎn)4.62萬噸的紀(jì)錄。

2009年，中煤張煤機、天地奔牛和山西煤機廠生產(chǎn)的SGZ1250/3×1000型刮板輸送機在陜煤、寧煤、伊泰、晉城等各大煤礦得到廣泛的應(yīng)用，綜采工作面采高達(dá)到6 m，年產(chǎn)量達(dá)到800萬噸。

2011年11月，中煤張煤機公司研制驅(qū)動功率3*1500kW的超重型刮板輸送機，運量5000噸/小時，采用Φ56×187圓環(huán)鏈、172mm節(jié)距整體模鍛銷軌，設(shè)計長度400米，在三道溝煤礦7 m采高大采高工作面投入使用，至今已在井下連續(xù)使用3個工作面，設(shè)備運行狀況良好，過煤量已超過1600萬噸。

由于頂板壓力大，支架穩(wěn)定性變差等原因，對于7米以上煤層采用放頂煤開采比較適宜。2003年，平朔公司安家?guī)X井工礦采用國產(chǎn)SGZ1000（1200）/2×700型刮板輸送機，功率2×700kW，配套φ42×146緊湊型高強度鏈條，運輸能力2500t/h，長度250m，最高日產(chǎn)5.2萬噸，月產(chǎn)達(dá)到130萬噸。

2008年7月，平朔公司放頂煤工作面陸續(xù)采用國產(chǎn)SGZ1000/2×1000kW型前部刮板輸送機和SGZ1200/2×1200kW型后部刮板輸送機，采用閥控充液型偶合器軟啟動，φ48×152高強度鏈條，輸送能力2500～3000 t/h，工作面長度300m，月產(chǎn)達(dá)到了118萬噸，實現(xiàn)了14 ～ 20米厚煤層一次采全高。

2. 重型刮板輸送機零部件技術(shù)現(xiàn)狀

刮板輸送機由機頭傳動部、中部槽、機尾傳動部、驅(qū)動系統(tǒng)、鏈傳動系統(tǒng)、及相關(guān)的電控和運行監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.1 機頭架

根據(jù)卸載方式，機頭架分為端卸機頭架和側(cè)卸機頭架兩大類

2.1.1 端卸式機頭架

輸送機端卸式機頭架與轉(zhuǎn)載機溜槽相互搭接，配置靈活，能夠適應(yīng)工作面起伏和傾角變化等復(fù)雜的地質(zhì)條件；機頭架體積小，便于運輸，能適應(yīng)小的順槽斷面尺寸。在地質(zhì)條件差的中、東部地區(qū)的煤礦綜采刮板輸送機普遍使用端卸式機頭架。

2.1.2 交叉?zhèn)刃妒綑C頭架

交叉?zhèn)刃妒綑C頭架與轉(zhuǎn)載機機尾連成一體，機頭架上的圓弧形犁煤板能夠使煤流順利轉(zhuǎn)向90°，卸載更加通暢，減少了大塊煤的堵塞與破碎；機頭架高度低，有利于采煤機割透煤壁，便于設(shè)備配套；順槽設(shè)備和機頭架同時采用端頭支架推移，推進(jìn)速度快。

側(cè)卸式機頭架的缺點是體積大、運輸困難，同時要求煤層起伏平緩、順槽斷面尺寸大。側(cè)卸式機頭架在地質(zhì)條件好的西部地區(qū)應(yīng)用廣泛。

2.2 中部槽

鑄焊式中部槽是目前最常用的形式，鏟板槽幫和擋板槽幫采用鑄造成型，中、底板為高強耐磨板，鑄焊式中部槽優(yōu)點是槽幫剛性好，零件數(shù)量少，焊接工作量??；可根據(jù)實際需要等改變槽幫形狀與尺寸及性能，鑄造槽幫的性能和外形尺寸要求嚴(yán)格，機械性能達(dá)到600～900MPa；槽幫與中板結(jié)合面采用熔透的焊接方式，達(dá)到母材自身強度。目前，1000mm內(nèi)寬高質(zhì)量中部槽過煤量能達(dá)到2000萬噸以上。

2.3 軟啟動裝置

大功率刮板輸送機普遍采用的軟啟動有CST、閥控液力驅(qū)動、變頻驅(qū)動三種方式。

2.3.1 CST可控傳輸裝置

CST可控傳輸裝置是在減速器輸出端的行星架配置液粘摩擦離合器，可實現(xiàn)設(shè)備的空載起動和運行時的功率平衡。由于摩擦離合器布置在低速輸出端，出現(xiàn)過載沖擊時，離合器反應(yīng)迅速，能夠有效隔離電機和減速器的轉(zhuǎn)動慣量對鏈傳動系統(tǒng)的沖擊，過載保護(hù)性能良好，延長鏈條使用壽命，但CST內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修難度大、成本高。

2.3.2 閥控充液型液力偶合器

閥控充液型液力偶合器采用雙渦輪結(jié)構(gòu)，以清水作為工作介質(zhì)，通過自動的閥控?fù)Q液系統(tǒng)使水溫保持在50度以下，具有液力傳動特有的軟啟動和功率平衡功能，同時起到電機和減速器之間的隔震保護(hù)。早期的閥控偶合器采用閉式循環(huán)方式供液，對水質(zhì)要求高，電磁閥易結(jié)垢堵塞，后來改為開式循環(huán)，解決了電磁閥結(jié)垢問題，工作可靠性顯著提高。

2.3.3 變頻驅(qū)動

近幾年，隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，大功率高壓變頻驅(qū)動在刮板輸送機上得到更多的應(yīng)用，采用變頻驅(qū)動不僅可實現(xiàn)設(shè)備按照預(yù)定的加速度啟動，實現(xiàn)多電機驅(qū)動的功率平衡，同時可根據(jù)負(fù)載的大小長時間變速運行，電機自身的保護(hù)功能比較齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的智能驅(qū)動

三種軟啟動方式的比較：刮板輸送機上應(yīng)用CST技術(shù)為DBT公司獨有，開放性差，成本高，限制了其推廣使用；閥控充液型液力偶合器的主體為機械構(gòu)件，不存在元件老化問題，檢修時通過更換軸承、密封和電磁閥等易損件，就能夠長期使用，費用降低，目前在重型刮板輸送機上應(yīng)用最多；變頻驅(qū)動的元件價格高，設(shè)備初期投資大，變頻驅(qū)動技術(shù)需要繼續(xù)改進(jìn)提高。

2.4 大功率減速器

刮板輸送機用減速器工作特征是低速重載、沖擊頻繁、體積受限，潤滑和散熱性能差。目前，中小型刮板輸送機普遍采用國產(chǎn)減速器，重型刮板輸送機對減速器性能要求高，進(jìn)口產(chǎn)品占較大的比重。

由于設(shè)計手段的落后和設(shè)計經(jīng)驗的缺乏，以及生產(chǎn)制造過程中的不穩(wěn)定性，國產(chǎn)減速器的體積被放大，以保證足夠的安全系數(shù)；齒輪和箱體加工精度以及裝配質(zhì)量的問題也導(dǎo)致減速器震動和噪聲等綜合性能指標(biāo)與進(jìn)口產(chǎn)品存在差距，密封失效、軸承損壞等問題降低了減速器工作的可靠性。

2.5 可伸縮機尾架與鏈張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

由于采煤機的往復(fù)運行割煤，刮板輸送機的負(fù)載隨之周期性變化，刮板鏈張力也需要隨負(fù)載大小而調(diào)節(jié)，否則過大的鏈張力會加速鏈條磨損，增加功率損耗；鏈張力過小則容易發(fā)生堆鏈，造成鏈條扭結(jié)損壞。理論計算表明，對于刮板輸送機在運距300米的情況下，鏈條的伸長量達(dá)到800mm，手動預(yù)張緊模式不能保證刮板鏈隨時處于適度張緊工作狀態(tài)。目前，長運距的刮板輸送機都采用可伸縮形式的機尾，便于鏈張力手動的調(diào)節(jié)。國內(nèi)外各刮板輸送機廠家也陸續(xù)開發(fā)了相應(yīng)的鏈張力自動控制系統(tǒng)。

美國JOY公司刮板輸送機的鏈張力自動控制系統(tǒng)的原理是在機尾設(shè)置磁性傳感器，檢測鏈條的懸垂程度，并產(chǎn)生強弱變化的感應(yīng)信號，PLC邏輯處理單元根據(jù)感應(yīng)信號的特征，來判定鏈條松緊程度，確定伸出或收縮機尾，實現(xiàn)鏈張力的自動調(diào)節(jié)。由于鏈輪傳動的多邊形效應(yīng)使得鏈條上下抖動劇烈，測得的信號不能真實反應(yīng)鏈條松緊，同時惡劣的工況也導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。JOY公司的鏈張力自動控制系統(tǒng)在設(shè)備上未能成功應(yīng)用。

德國DBT公司刮板輸送機鏈張力自動控制系統(tǒng)是依托自身獨有的CST驅(qū)動技術(shù)，通過對減速器的輸出扭矩的測定，計算分析鏈條的實際受力狀況，確定出伸縮機尾油缸合理的張力數(shù)值，自動控制系統(tǒng)據(jù)此對油缸壓力進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)鏈張力調(diào)節(jié)。DBT公司的鏈張力自動控制系統(tǒng)在地質(zhì)條件好的礦井應(yīng)用比較成功，在地質(zhì)條件差的工作面，也常因為工作不可靠而被舍棄。

國內(nèi)各廠家的鏈張力自動控制系統(tǒng)在原理上沒有大的突破，未能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的自動張緊。從目前來看，對鏈條松緊程度的判定是一個難點，只有能夠確定鏈條的松緊程度，才能保證的鏈張力自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.6 鏈輪組件

工作過程中，刮板輸送機的鏈輪組件在煤、水和沙石中運行，鏈窩在與鏈環(huán)嚙合過程中承受巨大的交變載荷、附加的沖擊載荷，以及滑動磨擦和磨料磨損，鏈輪在耐磨的同時，還要有較高的強度和韌性。鏈輪組件的密封也非常關(guān)鍵，大工作負(fù)荷下，一旦密封失效，潤滑油泄漏，煤和水等進(jìn)入到工作腔，引起軸承損壞。

由于鏈輪與鏈條兩者之間是非共軛嚙合，運轉(zhuǎn)精度要求低，為提高耐磨壽命，鏈輪通常采用淬透性好高合金材料，齒面淬火處理，硬度HRC48～58，淬硬層深度達(dá)到20mm，大型的鏈輪使用壽命達(dá)到400～600萬噸。鏈輪窩采用數(shù)控機床加工成形，具有較高精度。

2.7 高強度緊湊型圓環(huán)鏈

圓環(huán)鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C最薄弱的環(huán)節(jié)，它長時間承受交變應(yīng)力的負(fù)荷和頻繁的瞬間重載沖擊，還受磨損、腐蝕等多種因素影響。圓環(huán)鏈的強度直接關(guān)系到整機的可靠性。目前，國產(chǎn)礦用圓環(huán)鏈最大規(guī)格到Φ48×152，破斷負(fù)荷為3290kN，國外正式投入使用的礦用圓環(huán)鏈最大規(guī)格是Φ60×181/197，破斷負(fù)荷為4920kN。

目前國內(nèi)外大規(guī)格圓環(huán)鏈的材料通常采用23MnNiCrMo54高合金精煉鋼，拉伸強度極限值≥1600～1800 MPa。采用閃光對焊工藝，避免了焊接過程中的過熱、過燒等問題。在質(zhì)量檢測方面，對原材料、焊接和熱處理后的組織進(jìn)行金相分析，對拉伸斷口利用掃描電鏡進(jìn)行斷口分析；采用預(yù)拉伸強化工藝，提高鏈環(huán)承載能力和疲勞強度。

為在同樣的槽幫高度下使用更大規(guī)格鏈條，適應(yīng)大運量和大功率的要求，目前重型刮板輸送機上通常采用扁平鏈（又稱緊湊鏈）：平環(huán)仍然是正常的鏈環(huán)，能與鏈輪的正常嚙合，立環(huán)高度被壓縮。立環(huán)通常采用鍛造成形，再通過焊接平環(huán)聯(lián)在一起。扁平鏈的立環(huán)與中板接觸面積增大，提高了抗磨損性能。

2.8 銷軌

重型刮板輸送機配套的采煤機牽引銷軌采用優(yōu)質(zhì)合金精密模鍛成形，強度高，耐沖擊；銷齒表面采用中頻淬火，提高表面耐磨性。銷軌的節(jié)距主要有126mm 和 147mm 兩種，能承受的采煤機牽引力分別為1000千牛和1600千牛，最新7米采高工作面刮板輸送機配置的節(jié)距172 mm銷軌，可承受采煤機牽引力達(dá)到2000千牛。

3. 國內(nèi)刮板輸送機發(fā)展存在的問題

經(jīng)過幾十年技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主研發(fā)，我國已建成完整的煤機裝備開發(fā)和制造體系，刮板輸送機的整機產(chǎn)品開發(fā)也與國際先進(jìn)水平的保持同步，為煤炭產(chǎn)量的穩(wěn)定增長提供了有力的技術(shù)支撐，但同時也有很多因素制約著行業(yè)的健康發(fā)展。

3.1 產(chǎn)品以仿制為主，重大技術(shù)創(chuàng)新能力缺乏。

我國產(chǎn)品的開發(fā)主要是從引進(jìn)、跟蹤仿制開始，缺乏完整的自主創(chuàng)新的體制和相應(yīng)的激勵機制，技術(shù)研究資金投入嚴(yán)重不足，國內(nèi)研究院和設(shè)備制造企業(yè)更多的是從事“短、平、快”應(yīng)用性研究，較少的進(jìn)行基礎(chǔ)性、全面深入的系統(tǒng)性研究，核心技術(shù)缺乏，產(chǎn)品開發(fā)滯后，重大突破性的技術(shù)創(chuàng)新仍被國外公司主導(dǎo)。

3.2 整機已實現(xiàn)國產(chǎn)化，核心部件及材料依賴進(jìn)口

目前，中小型刮板輸送機已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，重型刮板輸送機大型結(jié)構(gòu)件的焊接、高強度槽幫的鑄造以及銷軌、啞鈴、刮板的鍛造等難題都已經(jīng)解決，但關(guān)鍵的核心零部件如軟啟動裝置、大功率減速器、高強度緊湊型鏈條依賴進(jìn)口，中部槽采用的高強耐磨中板、以及軸承和密封等也通常進(jìn)口。某些合同執(zhí)行過程中，進(jìn)口材料和進(jìn)口零部件成本甚至超過設(shè)備總值的50%。嚴(yán)重削弱企業(yè)的盈利能力，制約了企業(yè)的發(fā)展。

3.3 技術(shù)參數(shù)與國外產(chǎn)品接近，設(shè)備運行可靠性低

國內(nèi)刮板輸送機的運量、運距等各項技術(shù)指標(biāo)與國外同等產(chǎn)品相當(dāng)，能夠滿足基本的使用要求，但整機可靠性差、使用壽命低，由于制造水平與經(jīng)驗的局限和質(zhì)量控制不夠嚴(yán)格，設(shè)備在使用中故障率高，日常維護(hù)量大，同規(guī)格國產(chǎn)刮板輸送機的無故障運行時間相當(dāng)于國外產(chǎn)品的70%～80%，進(jìn)口設(shè)備1000 mm槽寬中部槽的壽命通常能達(dá)到2000萬噸，國產(chǎn)中部槽超過1500萬噸后，焊接和鑄造等質(zhì)量缺陷引起的問題就會頻繁出現(xiàn)。

3.4 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低，互換性差

近十年，刮板輸送機技術(shù)發(fā)展很快，新機型不斷推出，相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂滯后，又由于缺乏權(quán)威的行業(yè)主管部門的有強制力的管理，生產(chǎn)廠家各自為政，出于設(shè)計習(xí)慣和設(shè)計理念的等方面原因，不同廠家的同一機型零部件難以互換，即使同一廠家的同一機型的零部件也經(jīng)常存在差異，不僅帶來設(shè)備生產(chǎn)過程的困難，也給用戶使用造成很多不便。

4. 重型刮板輸送機的發(fā)展趨勢

中國的占全球總產(chǎn)量的50%，但煤炭生產(chǎn)的機械化程度與世界先進(jìn)水平仍有很大差距，《煤炭工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出的重點任務(wù)是繼續(xù)推動大型企業(yè)集團(tuán)發(fā)展和大型現(xiàn)代化礦井建設(shè)，刮板輸送機未來的發(fā)展趨勢是：

（1） 向大型化發(fā)展。大采高工作面具有生產(chǎn)效率高、安全性高、經(jīng)濟效益好的特點，能夠顯著提高厚煤層煤炭回采率。以神東為代表的大型煤炭集團(tuán)也將300m長度以上工作面、5m以上大采高、3000m以上長走向作為主要開采方式，年產(chǎn)量達(dá)到1200萬噸。設(shè)備向大型化發(fā)展的重點是加強軟啟動裝置、減速器、鏈條等核心部件的研發(fā)，提高國產(chǎn)化率。

（2） 向高可靠性方向發(fā)展。運用動態(tài)設(shè)計技術(shù)、可靠性技術(shù)、工藝等，提高設(shè)計水平和制造質(zhì)量，保證減速器過煤壽命達(dá)到2000萬噸，鏈輪過煤壽命達(dá)到800萬噸，中部槽過煤量大于2000萬噸，確保刮板輸送機開機率達(dá)到85%以上，減少停機造成的損失，降低工人的勞動強度和備品備件的消耗。生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)改變“重量輕質(zhì)”的觀念，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，認(rèn)真進(jìn)行動態(tài)設(shè)計和可靠性設(shè)計等先進(jìn)設(shè)計方法，對制造工藝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點研究；生產(chǎn)過程堅持嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品使用可靠性。

（3） 向自動化、智能化、信息化方向發(fā)展。運用機電液一體化技術(shù)，自動化技術(shù)、信息化技術(shù)實現(xiàn)刮板輸送機的工況監(jiān)測、預(yù)報型故障診斷、與采煤機和支架聯(lián)動與通信，實現(xiàn)整個采煤工作面的自動化控制，使工作面生產(chǎn)過程自動化、采煤工藝智能化、工作面管理信息化。

（4） 向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向發(fā)展。刮板輸送機零部部件普遍標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化，以更嚴(yán)格的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)設(shè)計水平、制造工藝水平、產(chǎn)品技術(shù)性能的提高，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。

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