8 m以上超大采高采煤機牽引力效分析*

張斌

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

在我國陜蒙地區，存在大量8 m以上的穩定特厚煤層，過去受綜采裝備的技術限制，這類煤層主要采用分層開采或綜放開采方式，存在工藝復雜、效率低、資源回收率低等問題[1]。2014年以來，特厚煤層一次采全高綜采裝備獲得重大突破，并于2016年在金雞灘煤礦實現了8.2 m特厚煤層一次采全高綜合機械化開采[2]。

然而，受設備工作穩定性影響，8 m以上特厚煤層一次采全高綜采方式目前僅能應用于近水平煤層且沿走向起伏不大的工作面。以采煤機為例，目前最大設計采高已突破了9 m，但刮板運輸機仍沿用了7 m采高時期的1.4 m寬度系列，當工作面底板較軟或局部俯仰采角度超過8°時，采煤機和刮板運輸機整體運行時晃動明顯，采煤機牽引出現過載甚至停牽現象，影響生產效率。

本文在分析采煤機滑靴受力和牽引力效變化的基礎上，剖析上述牽引過載現象的產生機理，為超大采高采煤機設計及綜采裝備的開發提供技術支撐。

1 采煤機力學分析

1.1 整機力學模型

采煤機在運行狀態中，其受力情況復雜，且處于不斷變化過程中，但當采高確定時，搖臂相對于機身固定，我們可以將采煤機簡化為剛性體。采煤機外部受力主要包括重力、前后滾筒截割反力、四組滑靴的約束力和左右行走輪牽引力，整機力學模型如圖1所示。

圖1 采煤機力學模型

以采煤機重心為原點建立XYZ坐標系，對整機進行受力分析，在靜止和勻速運動工況下，其滿足靜力學平衡條件，即：

∑Fx=0；∑Fy=0；∑Fz=0；

∑Mxoy=0；∑Mxoz=0；∑Myoz=0

1.2 截割反力計算

采煤機所受的外部力中，截割阻力與負載有關，難以精確計算，通常采用下式來估算[3]：

上式中，PH為截割電動機額定功率，kW；ηj為截割部機械傳動效率，可取ηj=0.85；n為螺旋滾筒轉速，r/min；Dc為滾筒直徑，m。

推進阻力與截割阻力Fgz成一定的比例關系，其大小與滾筒上截齒的磨損程度相關，可用下式進行估算[4]：

Fgy=KqFgz

上式中，Kq與截齒磨損程度相關的系數，取Kq=0.8。

滾筒軸向力Fgx除了與滾筒結構、截割狀態及截齒的布置角度有關，主要受采煤機運行狀態影響，在采煤機斜切進刀時，滾筒有一定的軸向力；當采煤機在平直段勻速運行時，滾筒軸向力較小，可不計入計算。

1.3 滑靴受力計算

以某型號8 m采高采煤機初始設計方案為例，單個搖臂的截割功率為1 100 kW，滾筒轉速為28 r/min，滾筒直徑4.3 m，設計牽引力1 508 kN，整機重量230 t。通過求解，滑靴在平直段勻速割煤狀態下Z方向的受力如表1所示。

表1 滑靴Z方向受力

計算結果顯示，支撐力主要集中于煤壁側平滑靴，采空側導向滑靴支撐力(F1Z和F2Z)較小，當工作面底板較軟或工作面存在俯采時，采煤機與刮板運輸機整體存在朝煤壁側翻倒趨勢，導向滑靴上抬直至底面與銷排底面接觸，行走輪與銷排的嚙合中心距也隨之增大。

2 牽引力效分析

2.1 豎直力效分析

為了適應刮板運輸機彎曲，銷排和導向滑靴在高度和寬度方向均留有間隙，導向滑靴上抬高度δH為設計間隙、滑靴和銷排磨損量的總和，當δH從0增大至18 mm時，牽引力在水平和垂直方向的分力變化如圖2所示。

圖2 牽引力輸出變化

從圖2中可以看出：

1) 行走輪與銷排嚙合在水分方向的分力是驅動采煤機前進的有效牽引力，從1 406 kN減小至1 350 kN，牽引性能下降。

2) 上抬分力從544 kN增大至672 kN，增加值大于F1Z與F2Z之和，導向滑靴上抬后將難以自行回落。

2.2 水平力效分析

采煤機行走輪和銷排齒面為圓弧曲面，嚙合應力方向沿接觸法向，其在采煤機行走方向的分力為

式中：S為導向滑靴和銷排在寬度方向的單側間隙，為了適應刮板水平彎曲，通常設計為5～8 mm，R1和R2分別為銷排和行走輪齒寬方向圓弧半徑，通常R1+R2≥300 mm。由于R1+R2?S，所以Fqy≈Fq，所以滑靴水平偏轉對牽引力輸出影響較小，可忽略不計，如圖3所示。

圖3 牽引力水平分力

3 技術措施

根據以上分析可知：超大采高采煤機由于重心較高且靠近煤壁側，運行穩定性較差，對牽引力輸出存在不利影響，因此，在超大采高裝備設計及三機配套過程中，應采取以下措施。

1) 針對8 m以上綜采工作面，開發1.6 m或以上寬度的刮板運輸機，通過增大刮板與工作面底板的接觸面積，提高采煤機和刮板運輸機整體運行穩定性。

2) 調整采煤機布局，使其重心盡可能向采空側移動，使得導向滑靴的正壓力增大，避免上抬分力過大引起的采空側上抬現象，可采用的方法包括降低采煤機重心、減輕搖臂和滾筒重量、機身采空側配重等。

3) 配套過程中，增加刮板運輸機鏟板高度和采煤機煤壁側支撐腿高度，使采煤機機身煤壁側略高于采空側，有利于搖臂舉升狀態下重心向采空側移動。例如，在8 m采高狀態下，煤壁側抬高50 mm，滾筒重心將往采空側移動約153 mm。

4 結論

8 m以上超大采高采煤機在俯采和軟底工作面易發生牽引過載現象，主要與機身失穩引起的行走輪、銷排嚙合中心距增大有關，本文針對如何提高采煤機和刮板整體運行穩定性，提出了相應的解決方法。目前，部分方法已在設計采高9 m的MG1100/3050-GWD型采煤機研制中得到了應用，該機在地面調試及井下開采過程中，采煤機行走平穩，且未出現整機失穩晃動的現象，有效性得到了驗證，對后續大采高綜采裝備的開發具有借鑒意義。