7.2 m采高厚煤層采煤機(jī)的設(shè)計(jì)思考

董 建

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦厚煤層的綜采效率受到許多因素影響，其中主要影響因素有經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)水平和地質(zhì)狀況差異等，目前，厚煤層的綜采主要使用大采高綜采、綻放開采和分層綜采等三種綜采方式。在大多數(shù)煤礦中的7.2 m厚煤層開采中，存在煤層冒放性較差、煤質(zhì)較硬和綜采中浪費(fèi)資源、效率低下等問(wèn)題，但其煤層賦存穩(wěn)定，水平接近，具有極高的綜采效益，因此對(duì)其進(jìn)行綜采選擇一次采全高技術(shù)。

1 厚煤層采煤機(jī)介紹

1.1 厚煤層采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)

7.2 m厚煤層采煤機(jī)由四個(gè)系統(tǒng)、八個(gè)結(jié)構(gòu)、破碎機(jī)和中間控制箱組成，其中四個(gè)系統(tǒng)分別是電氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，八個(gè)結(jié)構(gòu)是指分布在機(jī)身左右共八個(gè)的四種設(shè)備，分別是行走箱、搖臂、滾筒和牽引部。其中電氣系統(tǒng)通過(guò)人工指令操作，收集并控制綜采相關(guān)數(shù)據(jù)，是整個(gè)采煤機(jī)的大腦；傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行采煤機(jī)的操作指令，例如行走和截割等行動(dòng)指令；冷卻系統(tǒng)則對(duì)采煤機(jī)的重要結(jié)構(gòu)和零件進(jìn)行冷卻，并對(duì)作業(yè)面噴霧降塵，以改善作業(yè)環(huán)境；動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)液壓設(shè)備提供的動(dòng)力來(lái)進(jìn)行破碎機(jī)和搖臂的升降[1]。

1.2 厚煤層采煤機(jī)整機(jī)的特征

7.2 m厚煤層采煤機(jī)的整機(jī)特征體現(xiàn)在對(duì)油缸的位置進(jìn)行調(diào)整，主要有兩種調(diào)整方式分別是上置調(diào)整和下置調(diào)整。采煤機(jī)的油缸位置對(duì)其自身重心、液壓系統(tǒng)的工作壓力、過(guò)煤體積和其自身高度都存在影響。對(duì)于適用于7.2 m厚煤層開采的采煤機(jī)，其設(shè)計(jì)通過(guò)借鑒6.3 m采高采煤機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合采煤機(jī)調(diào)高方案，設(shè)計(jì)出重量較大的搖臂和滾筒的采煤機(jī)。對(duì)油缸位置進(jìn)行上置調(diào)整時(shí)會(huì)對(duì)搖臂的操作造成影響，需要加大機(jī)器高度和油缸外徑大小。在采煤機(jī)的油缸位置調(diào)整過(guò)程中還需要考慮采煤機(jī)在4.0 m最薄煤層的開采，最薄煤層的開采需要的機(jī)器高度越低越好。降低動(dòng)力系統(tǒng)中的液壓設(shè)備的工作壓力能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以通過(guò)對(duì)厚煤層采煤機(jī)的油缸進(jìn)行下置調(diào)整，使液壓設(shè)備中的調(diào)高油腔不受外力作用。

2 厚煤層采煤機(jī)的核心技術(shù)分析

2.1 整機(jī)穩(wěn)定性

7.2 m厚煤層采煤機(jī)在高煤層進(jìn)行開采作業(yè)時(shí)，由于機(jī)器高度較大，容易發(fā)生機(jī)身的不穩(wěn)定而損壞機(jī)身系統(tǒng)的問(wèn)題。通過(guò)分析機(jī)身在截割煤層中的受力狀況，可以避免因機(jī)器的不穩(wěn)定造成搖臂結(jié)構(gòu)和行走箱系統(tǒng)的損壞。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)并總結(jié)世界范圍內(nèi)的采煤機(jī)穩(wěn)定經(jīng)驗(yàn)，得出采煤機(jī)主要通過(guò)控制機(jī)器的重心實(shí)現(xiàn)整機(jī)的穩(wěn)定性，即將采煤機(jī)整機(jī)的重心高度進(jìn)行大幅度降低，并結(jié)合科學(xué)合理的設(shè)備配套方案，將其重心偏移到輸送機(jī)的運(yùn)輸槽中心[2]。

2.2 輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)于7.2 m厚煤層采煤機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，主要考慮滾筒與搖臂的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，滾筒與搖臂懸掛在機(jī)器煤壁側(cè)，在采煤工作面進(jìn)行采煤作業(yè)，其受力狀態(tài)較為復(fù)雜，在最初的7.2m煤層采煤作業(yè)中，許多國(guó)家都出現(xiàn)采煤機(jī)搖臂減速器損壞的狀況，所以對(duì)采煤機(jī)的整機(jī)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般從滾筒和搖臂的減重優(yōu)化來(lái)開展采煤機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。

2.2.1 滾筒減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

厚煤層采煤機(jī)的截割滾筒的質(zhì)量較大時(shí)，會(huì)使采煤機(jī)的重心向質(zhì)量重的一側(cè)偏移。滾筒的質(zhì)量太大會(huì)降低機(jī)身穩(wěn)定性，需要控制滾筒質(zhì)量，使其質(zhì)量不影響機(jī)身重心。此外，采煤機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、直徑較大，進(jìn)行減重優(yōu)化也要考慮滾筒重心的影響，需要對(duì)其重心進(jìn)行控制，并在靜平衡下試驗(yàn)重心是否偏移，以免滾筒在作業(yè)中旋轉(zhuǎn)重心偏移，產(chǎn)生額外的變交動(dòng)負(fù)荷及其自身的動(dòng)載荷作用在采煤機(jī)上，造成采煤機(jī)的損壞。對(duì)采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，要對(duì)滾筒的平衡性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和質(zhì)量做優(yōu)化調(diào)整，在保證前兩者的基礎(chǔ)上減輕滾筒的質(zhì)量。截割滾筒輕量化設(shè)計(jì)主要有：

1）設(shè)計(jì)新的滾筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)用箱式構(gòu)造來(lái)對(duì)滾筒進(jìn)行優(yōu)化，在分析計(jì)算其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后以保證滾筒新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求；

2）對(duì)處于惡劣的施工狀況下的滾筒進(jìn)行改進(jìn)，可以對(duì)其連接盤和端盤材料的改進(jìn)著手，通過(guò)使用高強(qiáng)度的材料來(lái)焊接滾筒，在改進(jìn)過(guò)程中保證工藝規(guī)范可靠；

3）在采煤作業(yè)中采煤機(jī)的滾筒不耐磨損是因?yàn)槭艿經(jīng)_擊和磨損，使用耐磨材料對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)可以降低其磨損率；

4）減輕滾筒質(zhì)量還可以通過(guò)在端盤上開孔，開孔需要考慮其對(duì)卸煤口的影響，一般使用腰形孔的方式進(jìn)行開孔；

5）對(duì)滾筒在截割煤中的穩(wěn)定性和截割效率的提高，可以通過(guò)增加截齒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 搖臂殼體減重優(yōu)化設(shè)計(jì)

厚煤層采煤機(jī)的搖臂結(jié)構(gòu)在采煤作業(yè)中，其殼體受力情況較為復(fù)雜，同時(shí)受到壓應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等應(yīng)力的作用，使搖臂殼體發(fā)生脆性斷裂、疲勞斷裂和殼體變形。大采高采煤機(jī)的搖臂減重優(yōu)化要考慮采煤機(jī)的功率和其他合理因素，再對(duì)搖臂殼體的質(zhì)量進(jìn)行減輕以達(dá)到搖臂減重優(yōu)化，其優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有：

1）將搖臂的殼體換成高強(qiáng)度材料，對(duì)其進(jìn)行熱處理，可以提高殼體的韌性和強(qiáng)度；

2）使用三維建模和有限元分析等軟件，對(duì)殼體的局部部件和主要部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 重型行走系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

7.2 m厚煤層采煤機(jī)的牽引力最大能達(dá)到1 320kN，一般采煤機(jī)的大修周期要求其過(guò)煤量達(dá)到300萬(wàn)噸，為了達(dá)到采煤機(jī)的大修周期設(shè)計(jì)，要對(duì)其行走系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提高其承載能力，對(duì)行走系統(tǒng)的改進(jìn)可以從行走輪和導(dǎo)向滑輪兩個(gè)方面進(jìn)行。厚煤層采煤機(jī)中使用的行走輪是大節(jié)距行走輪，對(duì)其改進(jìn)可以應(yīng)用電渣重熔鋼技術(shù)，嚴(yán)格控制其工藝，并進(jìn)行強(qiáng)化噴丸和滲碳。而對(duì)導(dǎo)向滑輪的改進(jìn)可以從行走輪與銷排的嚙合著手，對(duì)兩者的中心距進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)行走系統(tǒng)的改進(jìn)。

2.4 大采高大功率采煤機(jī)破碎機(jī)設(shè)計(jì)

在采煤作業(yè)中，采高增大會(huì)發(fā)生片幫并有大煤塊出現(xiàn)在工作面的現(xiàn)象，對(duì)于這些大煤塊可以使用破碎機(jī)進(jìn)行破碎，避免其因體積過(guò)大而堵塞過(guò)煤通道。破碎機(jī)通過(guò)臂架聯(lián)接在牽引箱殼體上，再通過(guò)油缸的伸縮來(lái)調(diào)節(jié)破碎機(jī)構(gòu)所處的位置，以適應(yīng)破碎時(shí)所需要的高度和破煤量[3]。對(duì)7.2 m的厚煤層進(jìn)行綜采，想要保證其高效率和高產(chǎn)率，需要將破碎機(jī)功率增大到250 kW。7.2 m厚煤層中常用的采煤機(jī)破碎機(jī)型號(hào)為MG1000/2540，與其他國(guó)家的破碎機(jī)進(jìn)行對(duì)比如表1所示。

表1 破碎機(jī)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)滿足7.2 m厚煤層的采煤機(jī)需要考慮其油缸位置調(diào)整方式，采高的最小和最大高度。MG1000/2540-GWD采煤機(jī)性能好、設(shè)計(jì)合理，適用于7.2 m厚煤層的綜采工作條件，可滿足國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)高產(chǎn)高效的采煤需求。