大功率采煤機通用研制思路探討

李寧波

【摘 要】在采煤機的研制中，大功率采煤機的研制可否成功是關系到企業能否適應市場需求的關鍵，本文從采煤機的關鍵技術及設計選型上提供了一種模板和設計思路，可供設計者和工礦企業選型參考。

【關鍵詞】大功率采煤機；牽引部和搖臂技術研究；電氣系統結構選型；部件試驗方法

背景資料：目前，在世界煤炭工業發達的國家，礦井建設采用一礦、一井、一面的模式，在中厚或厚煤層的綜采工作面開采中，采用大功率、大采高、高性能的交流變頻電牽引采煤機。

由此可以看出國外大功率、大采高采煤機發展主要表現在以下幾個方面：

1）總體結構趨向模塊化，多電機橫向布置方式

2）總裝機功率不斷增大，性能參數大幅度提升

3）機械元部件可靠性大幅度地提高

4）控制、檢測系統智能化

由此可見發展大功率采煤機是企業能否發展的關鍵，同時對研發提出了更高的設計理念。

1 電牽引采煤機的種類及發展方向

在電牽引采煤機的發展過程中，電牽引調速方式基本上可以分為四大類。

第Ⅰ類：直流調速系統；

第Ⅱ類：交流變頻調速系統；

第Ⅲ類：電磁滑差調速系統；

第Ⅳ類：開關磁組電機調速系統。

隨著交流變頻器的發展，交流調速已日益顯示出技術先進、性能可靠、維護簡單、價格低廉等優點，調速技術已相當成熟，通過變頻器對牽引電機進行控制，能夠實現在額定轉速以下恒扭矩調速，額定轉速以上恒功率調速，滿足采煤機實際工況的要求，交流變頻調速系統是電牽引發展的主流。

2 總體研制思路

根據不同煤礦用戶的需要，結合我廠的加工工藝、安裝水平實際情況，向國外先進技術學習，總體設計思路和理念主要有以下幾點：

1）在有利于搬運、下井便利方面可采用美國JOY的三段機身結構，減少了不可拆卸的重量、體積，降低了制造工藝難度。

2）在抗振動方面可采用積木式結構模塊化設計，不但解決電控箱振動，受力及適應性問題，而且解決電氣元件抗干擾問題，易于維修和更換。

3）在緊固技術方面可采用長液壓螺栓緊固技術，解決機身聯接和緊固問題。

4）在平衡拖動方面采用國外主流的“一拖一”主、從控制技術；

5）牽引拖動系統可選用變頻器的主、從控制宏及直接轉矩控制技術（DTC控制）。

3 關鍵技術的研究及設計采取的措施

3.1 牽引部和重型液壓拉杠技術研究和結構設計

由于電牽引部傳動速比大，體積要小，牽引部傳動結構型式已由多級平齒輪傳動和一級行星齒輪傳動向多級行星齒輪傳動發展，牽引部采用兩級平齒輪兩級行星減速傳動，并對其進行優化設計，減少行星頭外徑尺寸，縮短牽引部的長度和寬度。

采煤機采用無底托架結構，要保證采煤機在工作過程中，特別是過斷層時，機身三大塊不松動使其緊緊地聯接為一整體，選用大規格、超長重型液壓拉杠緊固技術，重點要對液壓拉杠的材料性能，結構設計、熱處理及制造工藝，機身選用4根液壓拉杠，結構選為圓形，便于加工制造，減小應力集中。

3.2 大功率搖臂和冷卻降溫技術的研究和設計

在傳統計算的基礎上，利用大型有限元分析ANSYS軟件，需要對搖臂行星減速器進行彎曲應力和接觸應力的分析，采用數值模擬技術對太陽輪、行星輪、行星架及軸承等元部件進行應力和應變分析。搖臂采用直搖臂結構比較好設計和制造，機械傳動采用兩級平齒輪和兩級行星齒輪傳動減速器。采用分離油池，保證行星頭的潤滑。搖臂傳遞功率大，散熱面積小，可以選用采取搖臂內腔和行星頭腔內設置水冷卻器技術措施，來解決了搖臂溫度過高的問題。

3.3 行星頭浮動密封技術的研究

搖臂行星頭浮動密封漏油問題是經常出現的問題，由于漏油很容易造成行星輪打齒，行星輪損壞現象。傳統的行星架支承方式是，一端是圓柱滾子軸承，靠煤壁側的一端是雙列調心滾子軸承，這種軸承能承受較大的徑向力，又可以承受一定的軸向力，軸承內、外圈軸向游隙量比較大，特別是當采煤機斜切進刀時，受到很大的軸向力，軸承磨損量加大，軸向竄動量也相應加大，導致浮動密封圈破壞而造成漏油。行星架軸承決定一端采用圓柱滾子軸承，靠煤壁側的一端最佳采用雙列圓錐滾子軸承，該軸承承受軸向力大，安裝時不用調整軸向間隙，軸向竄動小，保證浮動油封有一定的壓縮量而不致漏油。

3.4 調高液壓系統的研究和設計

調高液壓系統最常見的問題是齒輪泵損壞，系統發熱問題。從系統設計上將調高控制油路與調高工作油路分開，采用雙聯泵，大泵是調高油缸油源，小泵是控制油源，這樣就可以有效地避免在系統中增設大流量的背壓閥或減壓閥，減少系統的發熱。根據泵的流量進行相匹配的操縱閥組，液壓元件選型及管路結構設計，系統增設冷卻器等技術措施，有效地降低了油液溫度，提高了齒輪泵的使用壽命。

3.5 電氣控制系統和結構技術研究

1）采用“一拖一”、直接轉矩控制方式（DTC控制）

交流變頻調速系統采用“一拖一”方式，就是指一臺變頻器拖動一臺牽引電機，一臺采煤機由兩個變頻器分別控制兩臺電機，選用ABB的ACS800系列變頻器，采用DTC控制方式，即直接轉矩控制，又兼有主、從應用宏。主、從應用宏標準軟件這樣可以解決兩個牽引部受力平衡問題，避免造成牽引部、行走機構的損壞。

2）選用完善的控制、監測保護功能

控制系統選用用可編程控制器PLC和工控機控制，大屏幕彩顯，具有智能檢測的故障自診斷功能。

3）選用網絡數據傳輸系統

能夠將采煤機信息實時傳至順槽監控中心，經過視頻系統將采煤機視頻信息實時傳至地面調度中心，再由地面調度中心傳至廠家監控中心，廠家可以通過視頻對現場進行指導服務。

4）電氣結構設計思路探討

高壓開關箱、變頻器箱和高壓器箱分別裝入機身的框架內，電控箱不受力，拆、裝、運、維修方便。電氣的高低壓元件采用分箱布置，增強了抗干擾能力。變壓器箱三面環水，有效地解決了變壓器散熱問題，具有良好的冷卻效果。

3.6 采煤機試驗方法思路探討

采煤機部件安裝完畢后需要對部件進行模擬工礦試驗，可以選用水力測功機加載模式和電反饋加載模式，水力測功機加載模式與電反饋加載模式比較，功率損失比較大，大多不能實現全部自動化模擬工礦實際情況，電反饋加載模式是比較流行的加載部件方法，能夠實現全自動化模擬工礦試驗，在部件加載過程中可以單個搖臂或者兩個搖臂對拖方式都可以實現加載，牽引部可以采用對拖方式加載，既方便又快捷的實現加載。

4 社會經濟效益及推廣應用成果

大功率交流變頻電牽引采煤機在整體結構設計、技術性能、生產能力指標等方面均選用具有高度的智能化、自動化和網絡化，可靠性高的特點，通過井下工業性試驗，進一步提高完善大功率采煤機的設計和制造，逐步取代進口同類產品。

大功率采煤機研制選型的應用將有廣闊的市場需求和良好的推廣應用前景，勢必為企業帶來巨大的經濟效益。

【參考文獻】

[1]張波，張強，高順武.浮動密封的應用[J].煤礦機械，2010，31（5）：175-176.

[2]張衡，張紅山.綜采工作面設備選型與配套原則研究，《中國科技博覽》，2014.

[3]馮英博，張立超.大傾角大采高“三軟”煤層綜采工作面設備選型研究，《煤礦機械》，2012.

[4]李正甲，姜光，李勇.一次采全高綜采工作面設備選型應用研究《煤礦科技》，2013.

[責任編輯：朱麗娜]