薄煤層滾筒式采煤機大功率截割系統的研發

劉 杰

（同煤集團云崗礦機電科， 山西 大同 037017）

引言

云崗礦5014工作面因煤層堅固性系數高達10，一直采用炮采工藝方式，使得工作面的生產效率不高，同時井下復雜的工作環境也使得勞動條件較差。為實現同煤集團提出的高產高效的開采目標，同時解決含硫化鐵硬結核堅固煤層的回采難題。該礦決定對項目進行立項研究。煤炭生產的機械化、自動化始終是追求的目標，綜合機械化開采是解決煤炭生產效率低、勞動條件差的根本途徑，是提高安全生產最有力的保障，也始終是云崗礦多年來想努力實現的目標。因此，研究薄煤層滾筒式采煤機大功率截割系統，加強云崗礦機械化開采力度，為實現云崗礦高效高產安全開采奠定基礎。

1 工程概況

云崗礦7號煤層的賦存條件與8號煤層存在較大的差別。8號煤層厚度更薄，煤層、硫化鐵結核及夾矸硬度更大，夾矸厚分布不均勻，增加了該煤層的機械化開采的難度[1]。因此該礦決定對當前使用的MG110/250-BW型采煤機進行優化改造，結合8號煤層的開采工況，提高該型號采煤機的相應性能，讓其能更好的適應含硬夾矸薄煤層的開采情況。改進優化后的采煤機能在8號煤層進行有效的開采，因此確定該改進型采煤機為云崗礦應用機型。

2 搖臂增容強度分析

1）根據相應要求，設計將采煤機單搖臂截割功率進行擴容，從2×55 kW增加至2×70 kW。從理論上驗證擴容后的截割功率是否滿足使用要求[2]。本次改造主要是針對MG110/250-BW型采煤機的改進型。采高0.9～1.2 m，截深0.63 m，牽引速度0～5 m/min。云崗礦8號煤層5014工作面煤層平均厚度0.90 m，硫化鐵結核體的層位不定，堅固系數為11。經計算可知：工作時截割功率為231.32 kW，理論計算本機截割功率為4×70=280 kW，因此能滿足使用。

2）一軸軸承優化。一軸轉速高達1470 r/min，實踐過程表時其使用時間非常之短，因此將軸承型號進行更改，改NJ215型號為NJ22215型號。保持軸承的內、外徑不變，寬度增加31-25=6mm，測試結果表時額定動負荷可提高24.6%。

3）其他各軸擴容后的變化值見表1。

表1 其他各軸擴容后的變化值

從表1的數據值可以看出，增容后的截割部相對之前富余量有所降低，但都小于選用值，完全可以滿足使用。

4）扭矩軸設計。考慮到截割功率的增大，因此調整扭矩軸的設計要求，調整扭矩軸花鍵為24Z×3 m，扭矩軸剪切斷面空刀直徑選擇Φ5mm、Φ59mm、Φ63mm三種方案。行星頭輸出端的2×Φ28mm圓柱銷改為缺口鍵結構，如下頁圖1所示。

5）增加挑頂高度。設計將以往的將彎搖臂改為直搖臂，挑頂高度增加到142mm。

6）此次擴容改造實施方案改動部分如下：左搖臂殼、右搖臂殼、一軸、四軸、六軸、七軸、扭矩離合器、支承軸套。

圖1 圓柱銷結構示意圖（單位：mm）

3 牽引部雙行星減速器設計

優化設計后的采煤機截割功率調整到了140 kW，因此增加了采煤機的自重，必須提高牽引力。由于液壓傳動的調整，液壓系統壓力提高到17.5 MPa（175 bar），液壓馬達排量提高到63 mL/r，改變第二級行星減速器的傳動比提高到4.44，牽引力能達到200 kN。由于牽引力的提高，經計算，加大了第二級傳動的齒輪的強度，模數提高到3.75，減速器外徑增加了16mm，保持原來殼體壁厚不改變，其他部位的機身厚度為310mm，機身局部厚度為325mm[3]。

4 薄煤層采煤機擋煤裝置研制

為解決8號薄煤層采煤時工作面煤層薄、工作空間狹小的問題，設計了薄煤層采煤機擋煤裝置。該裝置包括擋煤板、連接底座、行走部和側連接板，其中連接底座一端與采煤機連接，另一端連接行走部。該行走部底部基座兩端翹起，呈滑靴狀，其內部設有齒輪，該齒輪與刮板輸送機齒軌相嚙合；側連接板和擋煤板分別設于連接底座兩側。

本裝置一端與采煤機相連接，以采煤機的運行為動力；另一端設有根據采煤機滑靴設計而成的行走部，通過行走部隨同采煤機一起行進。在不影響采煤機正常工作的情況下，可解決采煤機因過煤量小造成的煤炭外溢問題，同時提高了擋煤裝置在生產過程中的安全系數。行走部設有防護罩，這種設計保護了行走部內齒輪和其他部件，防止煤炭、矸石等落入行走部阻礙齒輪轉動。在擋煤裝置上安裝噴霧閥塊代替采煤機外噴霧，解決了采煤機外噴霧在采煤機割煤時被落煤掩埋而起不到降塵的問題，提高了采煤機落煤降塵效率。作為優化，連接底座上設有通孔，煤粉、矸石等可漏出擋煤裝置，方便擋煤裝置的清理。在采煤機上設有高清攝像頭，這種設計克服了綜采工作環境可見度低的缺陷，當采煤機上采落特殊異物如珍貴礦石時，可及時發現，并作出相應的處理。采煤機上有急停開關，該急停開關包括外殼、保護膜和防爆開關保護膜為一呈碗形的外凸薄膜，該保護膜覆蓋外殼敞口端，邊緣連接于托槽內，托槽內填充有水。防爆開關外側設置水封不透氣外殼，可防止環境中可燃易爆氣體接觸開關，避免了因操作產生的火花引爆氣體而導致爆炸等危險事故；托槽內添水，亦可根據水的滲透情況，作為密封效果是否完好的標準。

5 機器抗震動及抗磨損研究

5.1 采煤機抗震動方面

在8號薄煤層開采中，采煤機在割煤過程中既要割落堅硬結核和夾矸，又要掃頂作業，采煤機要求具有很強的抗震、防震性能。因此需要考慮增加機器重量，減小采煤機工作時的震動幅度，降低連接件間的松動時間，提高采煤機工作時的平穩性。具體改進如下：一是在有限的空問內增加機器的重量。對煤厚變大時，通過加裝配重板，機重可達20 t以上，進一步提高機器抗震性能。與MG110/250-BW型采煤機相比，配重情況如下：總質量24 t，增加了8 t，提離率達50%；左截割部重3442.97 kg，右截割部重3440.26 kg，總質量 6883.23 kg，增加了 1345.23 kg，提高率達24.3%。二是優化滾筒結構和截齒排列，使其工作平穩，功率消耗少，減少對機體震動的影響。三是滾筒轉向采用正向對滾方式，因滾筒直徑與煤層厚度大體相當，前滾筒承擔了主要的割煤、裝煤上作，截割反力下壓機器，有利于機器的工作平穩和裝煤。四是電氣系統在固定、防松方面采取有效的防震措施，關鍵部件選用抗震性能強的產品，電子器件、線路板與殼體間增加局部膠封固定，所有連線采用防松、快速接插件式連接。主控器組裝完成后，通過震動測試后再進行安裝[4]。

5.2 采煤機抗磨損方面

考慮到8號煤層的堅固性系數高達10，必須提高采煤機的抗磨損性能。對MG110/250-BW型采煤機的主機體底面優化改為鋪焊具有高抗磨性的材料，在提高采煤機機殼底面耐磨損情況的同時，還能提高機殼的強度。另外在截割部殼體的磨損處，也采用鋪焊高抗磨性的材料。

6 應用情況

云崗礦針對8號煤層5014工作面的工況，對原MG110/250-BW型采煤機進行了優化改造，設計開發出有針對性應用的薄煤層滾筒式采煤機，并將該型號采煤機進行了實踐應用。通過在5014工作面的應用效果來看，該采煤機能有效消除薄煤層炮采工藝帶來的安全隱患，改善工作環境，降低勞動強度，有利于提升云崗礦井整體產量。改進后的薄煤層滾筒式采煤機的研發和實踐應用為開采同類型煤層提供了參考。