煤礦機械設備的工況特點及潤滑需求分析

李劍鋒中國石化潤滑油有限公司

本文結合煤礦機械設備的運行工況特點，對煤礦機械設備所使用的潤滑材料及其選型進行了介紹，為進一步規(guī)范煤礦機械設備的潤滑管理提供參考。

煤礦機械設備概況

煤炭一直是我國的主要能源和重要原料，在一次能源生產(chǎn)和消費構成中煤炭始終占一半以上。在“雙碳”目標下，“十四五”時期我國將嚴控煤炭消費增長。2021 年我國全年能源消費總量52.4億t標準煤，比上年增長5.2%。煤炭消費占能源消費總量的56.0%，比上年下降0.9個百分點[1]。雖然煤炭消費比重下降逐年下降，但這一比重仍然占據(jù)整個能源消費的最大份額。在未來較長的時間內(nèi)，煤炭行業(yè)仍然在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位，是我國主要的能源構成。

煤炭產(chǎn)業(yè)鏈主要包括開采、洗選、煉焦等，其中潤滑油品需求量最大的是煤礦的開采，我國煤炭的開采，以井工開采為主，井工開采的煤炭產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的80%，露天開采的煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的20%。據(jù)市場經(jīng)驗估算，井工煤礦每開采萬噸煤，需消耗潤滑油脂1.1 t（含液壓支架乳化液）。

井下煤礦開采設備以綜采和掘進設備為核心，主要設備詳見表1。

表1 井工煤礦主要設備

一般而言，煤炭開采與洗選業(yè)固定資產(chǎn)投資中，約30%是設備購置投資，煤炭機械設備約占設備購置總體50%，綜采設備約占煤炭機械設備總投資的70%。綜采設備價值構成中，液壓支架占比最大，達45%，掘進機、采煤機、刮板運輸機分別占12%、13%、10%，其他設備占20%。

近30 年以來，通過引進、消化、吸收與再創(chuàng)新，我國重大煤機裝備水平顯著提高，與國外先進水平差距不斷縮小，但在設備能力、可靠性、使用壽命、技術先進性等方面有待進一步提升。隨著煤炭開采的安全性、效率、綠色、集約化要求的提高，我國煤機設備的競爭著力點正向綜合化發(fā)展，即不僅需要在“單機”上有更強的競爭力，還需要向成套化、大型化、智能化與高端化發(fā)展，以提高上下游各企業(yè)之間的配套能力，搶占市場制高點。

煤礦機械設備維護現(xiàn)狀

受工作環(huán)境影響，相較于普通的工業(yè)機械，井下煤礦機械的使用壽命明顯較短，由于設備長期處于極端環(huán)境和高負荷工作狀態(tài)，因此在開采工作中，需要頻繁預留時間檢修、維護以及更換降低生產(chǎn)效率的部件。

煤機設備的使用壽命通常用年限和過煤量來衡量。不同設備使用的壽命不盡相同。其中，液壓支架使用壽命在1 000 萬t 到3 000 萬t之間，每處理1 000 萬t 之后要做一次大修，3 次大修以上要報廢。刮板輸送機的大修條件為煤炭處理量800～1 000 萬t，2～3 次大修后需要報廢；掘進機壽命在3～5 年；采煤機使用壽命最長，一般在5～8 年。

煤機的維修維護包括大修、中修、小修。整機在完成一次采掘工作后需求進行例行檢修。小修費用約為總機費用的 10%～20%，中修20%～30%，大修 30%～50%。使用2～3 年需要進行大修。潤滑油的成本，約占總機費用的5%，因此對于煤機設備來說，選擇性能優(yōu)異的潤滑油產(chǎn)品，對于延長零部件使用壽命，降低維護成本是有積極作用的。

煤礦機械設備潤滑工況特點

井工礦煤機設備的主要運行工況有以下特點：

低速大扭矩常態(tài)運行

機械傳動系統(tǒng)長期處于低速大扭矩的工作狀態(tài)下，且由于煤層不可完全預測的原因，采煤過程中的負荷不穩(wěn)定，常出現(xiàn)瞬間過載負荷，因此對油品的抗極壓性能要求極高。

工作溫度高

采煤機、掘進機和刮板運輸機等齒輪傳動系統(tǒng)，箱體空間狹小，散熱效果差，箱體內(nèi)部的工作溫度可達到70 ～90 ℃，甚至更高，采煤機最高溫度可達到160 ℃的工作溫度，因此需要油品具備良好的熱穩(wěn)定性。同時需要油品具備良好的黏溫性能，確保在高溫狀態(tài)下保持足夠的油膜厚度保護傳動部件。

工作環(huán)境惡劣

井下綜采和掘進工作面長期處于多水多粉塵的工作環(huán)境，容易造成油品的污染，從而導致油品變質(zhì)，因此需要油品有良好的分水性能和過濾性，確保油品在受污染后可以有效進行凈化處理，維持正常運行。

液壓系統(tǒng)壓力

采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)壓力可達到27 MPa，掘進機液壓系統(tǒng)壓力甚至可達到31 MPa 以上，同時液壓控制元件比較精密，因此需要油品有優(yōu)異的流體傳動性能，確保系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，同時需要油品有良好的清潔度，保證液壓控制元件的正常動作。

煤機設備技術發(fā)展對潤滑提出了更高要求

近年來，為了提高煤礦的生產(chǎn)效率，煤機設備的裝備技術朝著大型化、智能化與高端化發(fā)展，高可靠性、高度自動化、強適應性和遠程控制技術，都是煤機裝備技術的發(fā)展趨勢，因此需要油品有更好的可靠性和穩(wěn)定性。同時，煤機裝備技術發(fā)展要求整機及關鍵部件使用壽命延長，因此油品需要提供更好的潤滑保護，具有更長的使用壽命。另外超大功率煤機設備逐步普及應用，也對油品提出了更苛刻的潤滑性能要求。

煤礦機械設備對潤滑材料的要求

潤滑在機械部件傳動和設備保養(yǎng)中均起著很重要的作用，設備潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響到機械設備的使用性能、工作精度和運行壽命，特別是對于煤機設備，潤滑油液的正確使用對于保證采煤設備順利運行非常重要[2]。從井工煤礦對潤滑材料需求看，使用量最大的油品為液壓支架乳化油，占總用油量的40%，其次液壓油占總用油量26%，齒輪油占總用油量22%，液力傳動系統(tǒng)用油占7%，其他油品約占5%。

從生產(chǎn)流程看，各生產(chǎn)過程由于設備配置的差異，用油需求不同，綜采過程油脂消耗最大，占全部油脂消耗的50%，掘進過程潤滑油脂消耗占比約40%，運輸過程潤滑油脂消耗約占10%。（以上數(shù)據(jù)未包含液壓支架乳化油）。

從設備看，不同類別的設備對油品需求不同，其中綜采設備主要使用齒輪油、液壓油和液力傳動油，其中齒輪油占比達65%，液壓油占比約15%，液力傳動油占比約20%；掘進設備主要使用液壓油和齒輪油，其中液壓油占比85%，齒輪油占比15%；運輸設備主要使用齒輪油、液壓油和液力傳動油，其中齒輪油占比達50%，液力傳動油占比約30%，液壓油占比約20%。

綜上所述，煤礦機械設備所使用的潤滑材料主要有三大類，具體如下。

液壓傳動系統(tǒng)潤滑

煤機設備液壓傳動系統(tǒng)按傳動介質(zhì)可大致分為兩大類。一是液壓支架，由于液壓支架普遍存在泄漏情況，因此從環(huán)保及成本等因素考慮，采用乳化液作為傳動介質(zhì)。液壓支架的傳動系統(tǒng)利用乳化泵站提供高壓乳化液體，通過立柱、推移千斤頂來完成升降和推移等動作。二是綜采、掘進、提升等設備配備的液壓傳動系統(tǒng)，這些系統(tǒng)配置有柱塞泵和液壓馬達等高壓元件，工作壓力能達到25 MPa 以上，這些液壓元件對油品在高壓下的抗磨、防腐防銹等性能都有極高的要求，因此需選用礦物型液壓油。

煤機設備液壓傳動系統(tǒng)常用的有以下4 種油品：

◇L-HM 抗磨液壓油。其用于液壓支架以外的液壓傳動系統(tǒng)，可滿足配置有高壓柱塞泵的液壓系統(tǒng)使用要求，煤機設備普遍使用的牌號為L-HM 68 號，只有乳化液泵站曲軸箱部的潤滑例外，大多使用L-HM 100 號液壓油。

◇HFAE 乳化液。其是以基礎油為載體，添加防銹劑、防腐蝕劑、絡合劑、多種表面活性劑及消泡劑等多種添加劑復配調(diào)整而成。與95%（質(zhì)量分數(shù)）左右的水調(diào)制成液壓支架乳化液，主要作為液壓支架、單體液壓支柱等系統(tǒng)的動力傳遞介質(zhì)，具有抗硬水能力，對液壓支架常用的金屬材料和密封材料具有良好的防銹性和適應性，但這種乳化液屬熱力學不穩(wěn)定體系，乳化穩(wěn)定性差，易油水分離，潤滑性和過濾性均較差。

◇HFAS 濃縮液。其與HFAE乳化液的工作場景相同，也是作為液壓支架、單體液壓支柱等系統(tǒng)的動力傳遞介質(zhì)，HFAS 濃縮液由親水型的潤滑劑和多種水溶性功能添加劑相互增溶，形成了熱力學穩(wěn)定體系，因此相比HFAE 乳化液，HFAS濃縮液具有更好的穩(wěn)定性、潤滑性和過濾性。HFAS 濃縮液與HFAE乳化液均與水混合使用，因此在牌號的選擇上，需結合當?shù)厮吹挠捕戎笜诉M行選型。

◇液力傳動油。其主要用于煤礦機械的液力耦合器、變矩器等裝置，作為流體傳動介質(zhì)和潤滑介質(zhì)，大多使用8 號液力傳動油。但也有部分煤礦選用低黏度液壓油L-HM32 號抗磨液壓油用于液力耦合器或變矩器，這種使用方法會導致煤礦機械的動力損耗增加，同時也可能使液力耦合器或變矩器的工作溫度過高。

機械傳動系統(tǒng)潤滑

煤礦機械設備中采用齒輪傳動的部位較多，由于煤機設備的工況苛刻，工作溫度高，且載荷大，因此齒輪潤滑油需選用極壓性能、熱穩(wěn)定性優(yōu)異的礦物油型重負荷工業(yè)齒輪油，一些工況極度苛刻的部位如采煤機搖臂齒輪箱等，需選用合成油型重負荷工業(yè)齒輪油。

用于機械傳動的潤滑油品，屬國家標準GB/T 7631.7-1995 潤滑劑和有關產(chǎn)品(L 類)的分類的第7部分：C 組(齒輪)。

煤機設備機械傳動系統(tǒng)常用的有以下2 種油品：

◇L-CKD 重負荷工業(yè)齒輪油。其適用于各種煤礦機械設備的齒輪傳動部件潤滑。按通常煤機設備的齒輪傳動系統(tǒng)設計，一般選用L-CKD 320 號重負荷工業(yè)齒輪油。油品的牌號也可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，如磨損程度較為嚴重的老舊設備，可選用L-CKD 460 號重負荷工業(yè)齒輪油，如因工況特殊導致齒輪箱過熱，可選用L-CKD 220 號重負荷工業(yè)齒輪油，提高油品的散熱效果。

◇L-CKT 重負荷工業(yè)齒輪油。其一般應用在采煤機搖臂齒輪箱等，存在過載頻繁、穩(wěn)定性要求高、工作溫度大于100 ℃等極度苛刻工況的傳動部位，主要使用L-CKT 320號重負荷工業(yè)齒輪油。同類產(chǎn)品中，長城AP-S 合成工業(yè)齒輪油性能全面超越L-CKT 級別的油品，具有更優(yōu)異的性能，可適用于要求極高的采煤機搖臂齒輪潤滑。

軸承、鏈輪、銷軸及其他開放式運動部位潤滑

煤礦機械設備中大量存在的軸承、鏈輪、銷軸等部件以及一些開放式的運動部位，通常使用潤滑脂進行潤滑。潤滑脂是一種半固體潤滑劑，是在常溫、常壓下呈半流動狀態(tài)，并且具有膠體結構的潤滑材料。煤礦開采實際工況中，存在大量粉塵、水分，潤滑脂具有良好的密封性、防護性和防腐性。

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，設備維護條件比較有限，因此煤機用潤滑脂需滿足適用性強、使用壽命長、維護管理方便、操作簡單等要求，在潤滑性能方面，需要具備良好的極壓性能、防銹防腐性能，且需具備較好的抗水性能。綜合上述要求，煤機設備的軸承、鏈輪、銷軸等部件和開放式的運動部位，可選用3 號極壓鋰基潤滑脂。長城3號極壓鋰基潤滑脂的使用溫度范圍為-20～120 ℃，適用范圍廣，可滿足煤機設備苛刻的工況條件下的潤滑要求。

煤礦機械設備潤滑材料選型注意事項

煤礦機械設備種類繁多，結構復雜，運動部件及運動方式也各有差異，為煤機設備潤滑材料進行選型也成為了設備維護的難點。由于不同時期采購的設備和制造商的不同，造成了設備維護手冊中推薦的油品種類多、雜，且使用缺乏規(guī)范性。首先，設備制造商對潤滑油技術發(fā)展缺乏足夠的了解，因此在設備潤滑的說明上幾乎沒有更新，甚至有推薦已作廢很多年規(guī)格的產(chǎn)品，讓用戶無從選購。其次，不使用標準化油品名稱，如18 號雙曲線齒輪油、硫磷型齒輪油、40 號機油、黃油等不規(guī)范的油品名稱在設備維保手冊中會時常遇見，不利于油品的采購和使用。更嚴重的，還有設備維保手冊會為了增加齒輪油的黏稠度，改善密封，建議用戶往油里添加潤滑脂，這是絕對禁止的用油方式。

煤礦企業(yè)在選擇潤滑材料時，首先要充分了解機械設備的實際使用工況及使用環(huán)境對潤滑材料的要求[3]，并緊密結合實際工況和作業(yè)環(huán)境，進行合理規(guī)范的潤滑材料選型，表2 列舉了主要煤機設備潤滑部位所需的油品名稱，可作為煤機設備潤滑材料選型的參考。

表2 井工煤礦主要設備潤滑推薦

結束語

井下煤礦開采的惡劣環(huán)境以及低速重載、高溫的設備運行工況，對潤滑材料極壓性能、熱穩(wěn)定性、黏溫性能、防銹防腐性能、抗水性能等關鍵性能指標都提出了很高的要求，且井下?lián)Q油補油的條件都非常有限，對油品的適用性也有較高的要求。因此，要保持煤礦機械設備的長周期平穩(wěn)運行，潤滑材料的選型需以科學的方法，選擇合理的產(chǎn)品。

（續(xù)表2）

（續(xù)表2）