煤礦井下連續采煤機分體式浮動裝載部的設計

宋明江

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

連續采煤機技術常用于地下煤炭開采，巷道掘進、房柱式開采等地下工程的準備都離不開這種連續切割設備。它具有采掘一體化、高效靈活、投資小、見效快等特點，與連續運輸系統、梭車、行走支架、錨桿鉆車、鏟車等共同組成了短壁開采技術裝備,不僅適用于主采區煤田開采、邊角煤回收和“三下”煤層的開采，在煤巷快速掘進中也得到了大量運用。

在高產高效礦井的開采和煤巷掘進中，連續采煤機對長壁綜采遺存的煤柱、不規則塊段和殘采區進行開采，提高資源回收率。在煤巷掘進中，其速度是傳統掘進機的3～4倍，可使煤礦采掘比例嚴重失衡的矛盾得到根本改觀，為大型和特大型礦井的開采創建新模式；同時，也為中小型煤礦的機械化改造和“三下”壓煤的開采提供了技術途徑和裝備基礎[1]。

如今，在高新技術的帶動下，連續采煤機向薄煤層低矮型、厚煤層大采高兩極發展，整機及元部件性能向大功率體積比、長工作周期、高可靠性及自動化控制、智能化控制乃至無人化方向邁進[2]。截割系統、裝運系統和行走系統是連續采煤機最重要的結構系統。各系統的元部件性能及可靠性是整機性能的直接反映和有效保證[3]。筆者長期跟蹤連續采煤機井下應用現場，對設備在使用過程中的現場問題和數據進行了大量收集和詳細總結。現針對連續采煤機裝載部存在的問題進行分析總結，并提出相應解決辦法，以供業界人士共同交流探討。

1 連續采煤機裝載部存在的問題

連續采煤機主要有截割部、裝載部、行走部、機架、運輸部、除塵系統、液壓系統、電氣系統、水冷卻噴霧系統9部分組成。連續采煤機實體樣機如圖1所示。

圖1 連續采煤機實體樣機

裝載部主要由鏟板體、裝運電動機、裝運減速器、耙爪組件、鏈輪組件組成,如圖2所示。裝載部安裝在連續采煤機的前端,通過一對銷軸鉸接于主機架上。在鏟板油缸的作用下，裝載部鏟板可繞銷軸上下擺動，耙爪組件在裝運電動機、裝運減速器的共同作用下高速轉動扒煤，實現煤炭等其他礦物的快速裝載運輸[4]。

1-鏟板體;2-爬爪組件;3-裝運減速器;4-裝運電動機;5-鏈輪組件。

下面就連續采煤機裝載部在現場使用過程中存在的問題做出總結：

1) 裝載部鏟板體積龐大，下井、運輸極為不便。國內中小煤礦大多為立井提升，設備下井需要拆解后罐籠或用平板車運輸下井。因井下巷道規格小、罐籠尺寸小，連續采煤機部件尺寸相對較大，裝載部鏟板同樣體積龐大，所以部件在下井過程中頻繁出現罐籠裝不下、巷道通不過的問題，給設備的正常使用推廣造成了極大的不便和障礙。

2) 裝載部鏟板寬度固定，機身側浮煤難以清理。連續采煤機短壁機械化開采具有采掘合一、投資少、效益高、機動靈活等特點。可進行煤巷掘進，煤柱及不規則塊段、“三下”壓煤等資源的短壁開采，也可對露天煤礦邊坡壓煤資源進行端幫開采。常見工藝有井下單巷掘進、雙巷掘進、多巷道掘進，以及井下房式回采、房柱式回采、旺格維利法回采等。連續采煤機施工巷道寬度一般在5.4～6.0 m，連續采煤機裝載部鏟板寬度固定，巷道浮煤清理不便，需反復調機至作業完成。

3) 裝載部鏟板油缸控制，巷道底板起伏適應性差。連續采煤機在巷道施工過程中，因操作水平差異導致拉底時將巷道底板切割成波浪狀。設備向前推進時,裝載部鏟板鏟尖部位會碰觸突起巖體，嚴重時造成部件開裂損壞故障。如遇到凹陷底板，裝載部鏟板鏟尖又不能及時貼合底板面，造成巷道浮煤不能有效清理。

2 連續采煤機裝載部改進設計

筆者通過長期的現場調研和數據分析，針對連續采煤機裝載部存在的問題進行了研究，并提出了相應的解決辦法。

2.1 裝載部鏟板分體式設計

連續采煤機裝載部鏟板整體尺寸長2 800 mm，寬3 150 mm，高1 025 mm，該尺寸已經超出很多中小礦井的提升罐籠內部容積尺寸，給設備下井帶來不便。改進設計時，對裝載部鏟板進行有效的結構分解，實施了鏟板分體式設計,如圖3所示。改進設計既保證了部件的功能性和強度，又保證了現場所需的要求尺寸，將裝載部鏟板最大不可拆解尺寸降至長2 500 mm，寬2 000 mm，高1 000 mm。通過有限元仿真分析手段，對裝載部鏟板進行了靜強度分析計算,其應力應變云圖如圖4所示。

圖3 連續采煤機裝載部鏟板分體式設計

2.2 裝載部鏟板擴展式設計

針對連續采煤機裝載部鏟板寬度固定，機身側面撒煤、露煤，巷道浮煤清理不便等問題，在裝載部鏟板改進設計時研發了左、右伸縮鏟板體。鏟板收集物料時寬度范圍直接增加600 mm，且在行走時可以完全收回原有寬度，不影響整機通過性[5]。

2.3 裝載部鏟板浮動式設計

目前國內外現有的連續采煤機裝載部鏟板僅具有鏟煤、裝煤功能。浮動控制技術可實現鏟板的提升、下降、定位和沿巷道底板的浮動。它可以使鏟板緊貼巷道底板行進，既不會遇浮煤抬起上翹，也不會鏟進底板以下，進而達到良好的清理巷道浮煤效果，節省人工勞動，提高生產效率，節約成本[6]。

圖4 裝載部鏟板最大受力下應力應變云圖

通過有限元仿真分析手段，對裝載部鏟板進行了動力學仿真分析計算，確定了鏟板舉升油缸的受力，如圖5所示。油缸在舉升過程中裝載部所施加力逐步增大，裝載部局部結構反受力也在逐步增大。

圖5 裝載部鏟板作用力加載時間歷程曲線

鏟板升降油缸控制鏟板的提升、下降、固定和沿巷道底板的浮動。鏟板浮動可使鏟板不會鏟進底板輪廓線內，實現沿巷道底板漂浮。鏟板運動由兩個單作用的液壓油缸控制，下降靠自身重力；回路中裝有蓄能器便于實現浮動功能；平衡閥為鏟板升降油缸提供備壓，以便控制鏟板的下降速度,鏟板的浮動控制原理如圖6所示[7]。

1-鏟板舉升油缸;2-蓄能器;3-安全閥;4-多路閥;5-背壓閥。

3 結語

分體式浮動裝載部自研制成功以來，部件推廣應用至連續采煤機、掘錨一體機、掘進機等多種煤礦井下采掘裝備。國家能源神東煤炭公司、烏海能源公司、榆神能源公司、陜北礦業集團、內蒙古伊泰集團、蒙泰集團等多家國有大型煤炭生產企業成為該項技術的應用客戶。該項技術應用效果顯著，提高了設備下井運輸的適應性，對中小礦井、老舊礦井的入井條件要求降低；設備掘采作業工藝性好，能夠高質量完成巷道掘進作業，對礦井標準化建設具有積極的推動作用；設備維護操作性強，提高了設備維護的便捷性，降低了維護操作的難度，減輕了工人的勞動強度。