綜采工作面收尾清煤機設計

管文雅

(國家能源集團 神東煤炭集團公司 生產服務中心，陜西 神木 719315)

0 引言

清煤機是為煤礦綜采工作面收尾時采煤機割完最后一刀煤后清理采場遺留的浮煤而設計的一種設備。綜采工作面收尾時,支架下面僅有1.2 m～1.5 m寬的底板空間,一側是刮板輸送機,另一側是實體煤壁,而且底板上堆滿了0.5 m～1.5 m厚的浮煤,浮煤中還會有大塊煤炭需要二次破碎才能清除。支架前移之前,需要快速清除刮板機與煤壁之間底板上的浮煤。一直以來,清理浮煤的工作由人工完成,一般需要100人左右用一個班的時間(8 h)才能完成,勞動強度大,工作效率低。目前,尚未見到適用于綜采工作面浮煤破碎、清理的專用設備。本文在對工作面收尾清煤作業環境進行具體分析的基礎上,設計了一種結構緊湊、機體寬度比較窄、具有對塊煤破碎和裝運功能的清煤機。

1 清煤機總體結構及工作原理[1,2]

清煤機的結構設計主要考慮以下因素:

(1) 清煤機的作業通道最窄寬度為1.2 m,且底板全部被浮煤覆蓋,所以,要求設備寬度能夠在該場所行走和作業,并且要保證在浮煤上行走和作業的穩定性。

(2) 設備自帶行走動力,不需要連接動力電源,以滿足在進入工作面之前的巷道內行走的要求。

(3) 具備對大塊煤的破碎能力。

(4) 能夠將采場浮煤裝載到一側的刮板輸送機上。

(5) 能夠實現向左、右兩側卸煤,以滿足左、右工作面使用要求。

(6) 作業空間窄小,為了安全起見,設備采用遙控操作。

根據上述對清煤機的要求,確定清煤機的功能、技術參數及結構方案。其主要結構方案為:采用履帶行走底盤,破碎及裝煤機構采用截割滾筒,煤炭輸送裝置采用皮帶輸送機,行走動力為蓄電池組,采用泵站變頻控制系統以及液壓控制系統。工作面收尾清煤機結構如圖1所示。

圖1 工作面收尾清煤機結構

清煤機的工作原理:在煤礦綜采工作面收尾采煤機切割完最后一刀煤后,清煤機就要開始進入工作面清理浮煤,首先,清煤機依靠自身動力(蓄電池組)行走進入工作面內,將清煤機運輸皮帶后端的卸煤溜槽旋轉到工作面刮板輸送機一側,再將工作面乳化液動力源接入本設備,除行走之外,設備其余所有的工作動力均由乳化液動力源提供。

清煤機動作過程為:控制截割滾筒以及變幅動臂,使切割滾筒連續旋轉并反復回刨,將煤炭裝到清煤機的鏟煤板上,通過皮帶輸送機運送到清煤機后端的卸煤溜槽中,然后煤炭就自動溜到工作面刮板輸送機上;當遇到大塊煤時,旋轉的截割滾筒可將其破碎。這樣,隨著清煤作業的進行,清煤機不斷地向前推進,直至將工作面的所有浮煤全部清完。

2 清煤機各組成部分的設計

2.1 底盤裝置的設計

考慮到清煤機總寬度不得大于1.2 m,又必須滿足在有浮煤的場所行走,所以本設計采用履帶行走底盤,這樣可以增加設備與地面的接觸面積,提高設備在作業時的平穩性,并能減小設備的轉彎半徑,便于進出工作面較窄的通道。設計的底盤裝置結構見圖2,由車架部件、履帶、行走馬達、導向輪、承重輪、托鏈輪等組成。其中車架部件是由鋼板焊接而成的箱型結構,分左右兩個箱體,中間由兩個橫向箱體梁相連接,有非常好的剛性,抗扭能力強,以適應行走地面高低不平而引起的車架扭矩比較大的情況。履帶的行走由清煤機自帶的液壓泵站驅動。

圖2 清煤機底盤裝置結構

2.2 破煤、裝煤裝置設計

破煤、裝煤是清煤機的主要功能,破煤、裝煤裝置結構見圖3,主要由截割滾筒、第二動臂、變幅動臂、第二動臂升降油缸、變幅動臂鉸接座、變幅動臂升降油缸、連桿機構以及截割滾筒升降油缸等部件組成。該裝置具有如下特點:

圖3 裝煤、破碎裝置結構

(1) 所有執行部件均由工作面高壓乳化液壓源提供動力。

(2) 所有執行部件均是通過遙控器對電磁閥的控制來實現其功能動作的完成,作業時操作人員遠離設備,有利于作業安全。

(3) 在清煤作業過程中,截割滾筒可保持連續旋轉,在進行破煤時,一般情況下無需停止機械臂的回刨裝煤動作,工作效率高。

2.3 煤炭輸送裝置設計

煤炭輸送裝置的功能是將鏟煤板上的煤炭輸送到設備后部,再經溜槽將煤炭卸到工作面的刮板輸送機上。本設計采用小型皮帶輸送機結構,主要由鏟煤板、皮帶輸送機機架、皮帶、卸煤溜槽和皮帶驅動馬達、皮帶驅動滾筒、皮帶從動滾筒、皮帶托輪和溜槽銷鉸接軸等組成,見圖4。其中機架是由型材和鋼板焊接而成的整體框架結構,前端為鏟煤板,鏟煤板中間安裝有皮帶從動滾筒,機架后部裝有皮帶驅動滾筒,驅動滾筒外部安裝有液壓驅動馬達;卸煤溜槽是用銷軸鉸接在皮帶機架的后端,通過旋轉可使卸煤溜槽朝向左側或者右側,以適應不同的卸煤方向。

圖4 煤炭輸送裝置結構

2.4 動力裝置設計

動力裝置包括兩部分:①電氣動力裝置;②乳化液動力裝置。電氣動力裝置由礦用防爆蓄電池組及其固定架組成。本設計選用96組DM560KT型礦用免維護鉛酸電池,每塊電池額定電壓2 V,96組串聯使用。

考慮到電池組容量的限制,在本設計中,清煤機的破碎、裝載、煤炭輸送以及機械臂的控制油缸均采用了工作面乳化液系統作為其動力源,在清煤機上設置了一個高壓進液接口和低壓回液接口,清煤機工作前只需用液壓管將工作面乳化液系統的高壓回路和低壓回路接入清煤機相對應的接口即可,接口均采用快速KJ系列插頭形式,便于連接。

2.5 控制系統設計

本設計包括三部分控制內容:①機載液壓泵站驅動電機的控制;②清煤機行走的液壓控制;③乳化液動力系統的控制。

2.5.1 機載液壓泵站驅動電機的控制

機載液壓泵站專為清煤機行走提供動力,液壓泵站的驅動電機由蓄電池組為其提供電力,為了使操作安全以及泵站啟動和運行平穩,選用無線遙控變頻器對液壓泵站的驅動電機進行控制,其控制系統框圖見圖5。

圖5 液壓泵站控制系統框圖

由于采用了變頻控制技術,無論泵站是否帶有載荷都可平穩啟動,并且能夠根據路面實際狀況,很方便地調節清煤機行走速度。

2.5.2 清煤機行走的液壓控制

清煤機的前進、后退和轉彎均由遙控器通過遙控接收器對電磁換向閥進行控制,清煤機行走控制系統框圖見圖6,清煤機行走液壓系統原理圖見圖7。

圖6 清煤機行走控制系統框圖

圖7 清煤機行走液壓系統原理圖

為了保證左、右行走馬達同步運轉,本設計選用了雙聯液壓泵,左、右行走馬達分別由一聯液壓泵供液,對電磁閥的操作采用了無線遙控技術,保證了設備操作的安全性。

2.5.3 乳化液動力系統的控制

由于蓄電池組體積不宜過大,這就限制了蓄電池組的容量,所以除行走外其他所有動作均使用工作面乳化液系統作為動力源,乳化液動力控制系統原理圖見圖8。

圖8 乳化液動力控制系統原理圖

本設計中每個液壓缸前均設置了液壓雙向鎖,以鎖定各運動部件在停止操作后的位置。對電磁閥組的操作同樣采用了無線遙控技術,以提高設備操作的安全性。

2.6 清煤機的試制

根據以上設計,試制了一臺清煤機,清煤機實物見圖9。

1-清煤機履帶行走底盤;2-變頻控制箱;3-皮帶輸送機機架;4-鏟煤板;5-破煤、裝煤機構;6-變幅動臂;7-蓄電池組裝置;8-皮帶機驅動馬達;9-溜槽;10-液壓系統控制箱

樣機試制完成后進行了試運轉和各項技術參數測試,測得的各項參數如下:

液壓泵站裝機功率(kW): 30;

泵站額定流量(mL/r): 40/40/20;

系統額定壓力(MPa): 18/18/15;

皮帶機驅動扭矩(N·m): 4 600;

皮帶機驅動馬達轉速(r/min): 50;

皮帶機驅動馬達最大功率(kW): 36;

行走速度(km/h): 4;

轉彎半徑(m): 7.6;

爬坡能力(°): 8。

3 結束語

清煤機試制完成后進行了調試運行及裝煤模擬試驗,試驗結果表明:該設備能夠實現工作面清煤的各項功能,行走及各執行機構運行靈活平穩,可以滿足綜采工作面收尾時的清煤需要,設備的各項性能指標達到預期目標,遙控操作在很大程度上提高了設備的使用安全性。本產品的研制成功,實現了清煤機械化,填補了我國煤礦生產中的一項技術空白,將節省大批勞動力并大幅度提高生產效率以及我國煤礦的機械化生產水平。