采煤機噴霧水路增壓方案的研究*

朱信平

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

在工作面采煤機工作時會產生大量的粉塵。隨著現代采煤機生產能力的提高，產塵量增加，不但影響煤機司機的視線，而且大量粉塵吸入體內會嚴重危及煤礦工人的身體健康[1]。因此，采煤工作面降塵是當前我國煤炭開采中一項事關職業健康的重要課題。

《煤礦安全規程》規定“采煤機必須安裝內、外噴霧裝置，割煤時必須噴霧降塵，內噴霧工作壓力不得小于2 MPa，外噴霧工作壓力不得小于4 MPa”。現有的降塵方式主要通過設在順槽的泵站提供一定壓力的水，經管路輸送到工作面采煤機，由采煤機滾筒和搖臂上的噴嘴噴出，實現內、外噴霧降塵[2]。然而，從泵站到采煤機長距離傳輸后，產生了較大的壓力損失，導致噴霧水壓力不足，難以達到規程規定的噴霧壓力，工作面噴霧降塵效果較差[3]。為了獲得更好的降塵效果，在簡單增加供水泵站水量和水壓的方法無法奏效的情況下，在采煤機上設置增壓水泵是提高噴霧水壓最有效的途徑。

1 增壓方案設計

要實現噴霧水路增壓，通常需要動力源、執行元件和輔助裝置三部分。動力源可選擇電機、液壓馬達或采煤機已有的動力；執行元件為水泵；通過輔助裝置將動力源與水泵、管路有機地連接起來。

在新設計機型上增加噴霧水路增壓系統，可選用任意一種動力源，并選用匹配的執行元件和輔助裝置。

若在現有采煤機基礎上增加一套增壓系統，則需要解決以下幾個問題：

1) 增壓系統動力源的確定。由于工作環境的特殊性，現有機型結構設計較為緊湊，特別是薄煤層設備，機器上沒有額外的空間安裝新增的增壓泵站[4]。驅動只能采用采煤機自身的動力。

2) 增壓系統執行元件的選擇。

3) 增壓裝置安裝位置的確定及保護。現有機型受空間限制，增壓系統在布置和結構設計上也具有較大的難度。

根據驅動增壓水泵動力來源的不同，可設計以下3種噴霧水路的增壓方案。

1.1 采煤機搖臂動力驅動方案

該方案利用采煤機搖臂三軸處的空間和三軸的動力輸出，驅動增壓水泵，將采煤機噴霧降塵水增壓，通過搖臂噴霧降塵。采用搖臂傳動軸驅動水泵的方案如圖1所示，具體包括齒輪軸、離合軸、座、骨架油封、聯軸器、水泵、法蘭、壓蓋等組成部分。離合軸聯接齒輪軸和聯軸器，通過聯軸器與水泵聯接，由齒輪軸帶動離合軸和聯軸器，繼而帶動水泵旋轉。聯接座與軸承壓蓋之間安裝骨架油封，用于在聯接座旋轉狀態下防止齒輪箱中的潤滑油進入水泵。采煤機工作時，截割電動機驅動搖臂齒輪傳動系統至三軸處轉速約為1 000 r/min，由增壓水泵通過聯接傳動機構與三軸聯接，在電動機運轉的狀態下對噴霧水路進行增壓。

1-齒輪軸;2-離合軸;3-座;4-骨架油封;5-聯軸器;6-水泵;7-法蘭;8-壓蓋。圖1 采用搖臂傳動軸驅動水泵的方案

該方案由于增壓水泵設置在搖臂上，其優點是無需額外的動力源，且離噴霧點距離短，壓力損失小。但需解決以下幾個難點：

1) 采煤機搖臂結構緊湊，需要增壓泵及相關聯接傳動結構的體積足夠小且布置合理；

2) 采煤機搖臂工況極其惡劣，增壓泵系統的防護難度大，需要合理設計防護裝置，保證具有足夠的強度。

1.2 液壓馬達驅動方案

該方案利用采煤機的液壓系統，采用液壓馬達驅動增壓水泵，對采煤機噴霧降塵水進行增壓。液壓馬達的高壓油來自三聯齒輪泵，噴霧水路增壓系統由液壓馬達、增壓水泵、高壓溢流閥和附件等組成[5]。三聯泵產生高壓油，驅動液壓馬達旋轉，帶動高壓水泵工作，實現水路增壓。液壓馬達驅動的增壓方案原理如圖2所示。

圖2 液壓馬達驅動水泵的增壓方案原理

由于液壓馬達驅動方案的連接方式為通過管路連接液壓件，沒有硬性的機械連接，可安裝在機身內部，所以不存在防護問題。但是要具備兩個前提：一是機身需要有一定的安裝空間，用來安裝更換后的齒輪泵和增壓系統的其余零部件；二是機器所配置的液壓動力需要有較大的余量，否則會影響機器自身的正常調高。

1.3 電機驅動的噴霧水路增壓方案

在采煤機新開發機型上設置噴霧水路增壓系統時，可設計增加單獨的增壓單元，提供單獨的動力源。采用電機驅動增壓水泵的方式，如圖3所示。采煤機電控系統增加一路交流電源，為增壓水泵電機供電。電機通過聯軸器和法蘭與增壓水泵聯接，入水口和出水口安裝相應的水壓水量傳感器、過濾器、溢流閥和壓力表等附件。

1-電動機;2-聯軸器;3-法蘭座;4-增壓水泵。圖3 電機驅動水泵的增壓方案

由于該方案是在新機型開發時一并考慮的，所以在空間、安裝位置和驅動動力方面都不存在問題，方案更加完善，具有較好的可行性和較高的可靠性。

2 方案的對比分析

根據以上3種噴霧水路增壓方案特點，通過8個方面進行對比分析，結果見表1。

表1 3種方案性能對比分析

由表1可看出：

(1) 3種方案理論上都是可行的；

(2) 方案1的特點是對機器本身影響小；

(3) 方案2的特點是成本低和可靠性高；

(4) 方案3的特點是可靠性高和獨立性強。

3 結論

本文提出了3種采煤機噴霧水路增壓方案，并對3種方案的特點進行了對比分析，為便于方案選擇建議如下：

1) 對于新開發的機器宜采用單設噴霧水路增壓泵站的方案；

2) 對于在現有的中厚、厚煤層采煤機機型上新增設噴霧水路增壓系統，由于在搖臂上有一定的容納空間，可優先采用搖臂傳動系統驅動增壓水泵的方案；

3) 對于薄煤層煤機，搖臂由于安裝空間受限、工作環境惡劣，可優先采用液壓馬達驅動的方案。