大功率薄煤層交流電牽引采煤機的研制

車萬里，許秀芳，趙 勇

(西安煤礦機械有限公司研發中心，陜西 西安 710032)

0 前言

煤炭作為我國基礎能源和重要的生產原料，在我國國民經濟中占有重要的戰略地位。在我國的煤礦中，薄煤層的儲量占煤炭可采儲量的比例較大，在已探明的礦區中，國有煤礦薄煤層儲量比重就占20%左右，地方煤礦薄煤層儲量比重更大，如:薄煤層儲量山東省占41%，四川省占54.8%，貴州省占46%，陽泉、平頂山、徐州、開灤、鐵法、七臺河等大礦務局都占有較大的比例。由于在開采技術上薄煤層屬于較難開采煤層，機械化水平一直很低、開采產量較小，除特殊短缺煤種外，大部分薄煤層被暫時放棄，薄煤層開采一直成為困擾我國煤炭行業的難題。薄煤層礦井尤其需要高電壓、大功率、高可靠性的采煤機設備。

但是長期以來同類型的大功率薄煤層交流電牽引采煤機在我國仍然是空白，需從西方發達國家以大量的外匯進口，來滿足薄煤層煤礦的生產需求。因此大功率薄煤層采煤機的研制，對于提高我國煤炭生產效率，提高煤礦生產安全，提升我國煤炭采掘設備裝備水平有著重要的意義。

1 大功率薄煤層采煤機的總體設計方案

以提高薄煤層開采生產能力、自動化水平和工作面采煤機裝備可靠性為研究方向，以實現我國薄煤層安全高效開采為目標，采用機電一體化技術、計算機控制技術、信息技術、傳感技術與采煤工藝技術相結合，在消化吸收國內外先進技術的基礎上，進行自主創新，研發一次采全高的大功率薄層采煤機。

通過充分調研分析，本文針對目前國內外薄煤層采煤機械存在的問題，對大功率薄煤層交流電牽引采煤機設計中的技術難點進行總體規劃和技術攻關。如:

(1)總體結構布置的優化設計;

(2)大功率、小體積、高強度截割搖臂的研究;

(3)薄煤層滾筒的裝煤問題;

(4)體積小、結構緊湊的“一拖一”電氣系統的研究;

(5)采煤機智能化在線監測和故障自診斷技術的研究;

(6)采煤機記憶截割及采高數據遠程修正的研究;

(7)可根據運輸機的負載變化調整采煤機行走速度的技術研究。

2 薄煤層采煤機主要機械部分優化設計

2.1 牽引部結構設計

大功率薄煤層采煤機，其單個滾筒截割功率為2×200 kW，單臺牽引電機功率不小于40 kW，要求采煤機機面高度要低，過煤空間要大。另外，該型采煤機為無底托架結構，要適應過斷層需要，采煤機采用四根液壓拉杠將各個部件聯接為一剛性整體。如何保證牽引部機殼強度及液壓拉杠支撐點結構是一個技術關鍵。經過與國外各種同類型采煤機結構分析比較，決定采用以下技術措施:

(1)牽引部機械傳動采用雙級四行星輪傳動結構，對傳動結構、尺寸進行優化設計，按照40 kW功率對傳動系統的齒輪、軸承強度進行計算，盡量減小行星機構外徑尺寸。

(2)牽引部機殼采用鑄焊結合，對安裝液壓拉杠部位表面進行硬化處理，以提高抗壓強度。

(3)液壓拉杠支撐點盡可能為矩形，矩形面積盡可能大。液壓拉杠為圓柱形，便于加工制造，減少應力集中。經過受力分析和計算，四條液壓拉杠應力不超過材料的彈性極限。

2.2 搖臂設計

由于薄煤層地質條件復雜，薄煤層采煤機的搖臂必須是大功率、高強度。即要求搖臂截割電動機功率大，有足夠的扭矩;搖臂殼體有足夠的強度，為提高搖臂強度，除在結構上提高強度外，可采用合金鑄鋼增加搖臂殼體強度;內部傳動部分要有足夠的強度把扭矩傳遞過去。

搖臂設計需解決的關鍵技術:

(1)解決大功率小尺寸行星減速器的設計。搖臂上截割電動機的功率2×200 kW，小尺寸搖臂行星減速器的設計是成功與否的關鍵。經過優化設計，精確的齒輪、軸承強度和壽命計算，采用雙級四行星輪新結構，解決了大功率小尺寸的矛盾問題。

(2)解決搖臂箱體油溫過高的問題。搖臂功率大，箱體散熱面積小，僅依靠搖臂殼體水道水冷不足以解決搖臂殼體油溫過高的問題。為解決此問題，采取搖臂內腔設置水冷卻器的技術措施，采用長鋼管，按搖臂可利用內腔形狀制成管式水冷卻器，進、出水口與搖臂水道聯接，同時在搖臂行星頭腔內設置一管式冷卻器。通過此措施，成功解決了搖臂箱體油溫過高的問題(實際熱平衡溫度低至70℃左右)。

(3)搖臂行星頭滑動密封圈漏油。搖臂行星頭滑動密封圈漏油是目前所有采煤機的一個頑疾，也是造成潤滑不良，行星頭傳動元件損壞，以至于采煤機不能正常使用的大問題。為解決這個問題，本搖臂采用行星架兩端各用一個圓錐滾子軸承支撐的新型結構。因此要求機殼加工精度要高，同時軸承組合的軸向游隙需要安裝時調整。事實證明，采用圓錐滾子軸承大大改善了滑動密封圈漏油狀況。

(4)薄煤層采煤機雙截割電機搖臂。主要解決既增加采煤機截割功率又保持高生產效率等技術問題，在搖臂上固定設置有兩臺電機，分別設置有傳動齒輪。

2.3 滾筒設計

由于薄煤層地質條件復雜，開采薄煤層經常遇到截割夾矸和破頂、底板等情況，甚至截割全巖，因此，要針對不同使用條件設計不同的滾筒。對需要過較大斷層的采煤工作面必須使用高強度破巖滾筒。

(1)選用破巖截齒、齒座;

(2)增加葉片厚度，以提高結構強度和焊接強度;

(3)增加耐磨板高度，以提高裝煤效果;

(4)堆焊耐磨層，以提高滾筒耐磨性;

(5)設計時增加滾筒重量，以提高滾筒慣性力，減小滾筒的震動。

3 薄煤層采煤機電氣系統、結構設計及技術關鍵

3.1 “一拖一”，主、從控制應用

(1)交流變頻調速系統采用“一拖一”方式。即一臺變頻器拖動一臺牽引電機，一臺采煤機由兩臺變頻器分別控制兩臺牽引電機，兩臺牽引電機通過負載平衡牽引采煤機。主變頻器既有速度控制又有轉矩控制，從變頻器只有轉矩控制。主、從同時驅動一個共同負載，完全保證了其負荷的平衡分配。當一臺變頻器或者一臺牽引電機發生故障時，能方便地進入單牽引狀態。

圖1 交流變頻調速系統原理圖Fig.1 Schematic of AC VFC system

(2)采煤機順槽顯示和故障自診斷檢測的研究。受回采空間的限制，薄煤層工作面操作和維護采煤機非常困難，采煤機必須具備順槽顯示功能:通過順槽顯示箱可以實現采煤機的遠距離操控;故障自診斷檢測功能，實時記錄、檢測電機、變頻器、減速箱等的工作參數，及時提示故障部位及類型，以便于維護人員集中進行處理，減少影響生產的時間。

(3)采煤機記憶截割及采高數據遠程修正的研究。由司機操縱采煤機沿工作面煤層高低起伏條件先割一刀，控制系統將行程位置等信息存入計算機，以后的截割高度均由計算機根據存儲器記憶的工作參數自動控制滾筒調高。若有煤層條件發生變化，則由司機手動操作割煤(作為位置程度的微調)，也可以遠程進行對位置的修正，并自動記憶調整過的工作參數，作為下一刀滾筒調高的工作程序。

(4)可根據運輸機的負載變化調整采煤機行走速度技術的研究。采煤機通過與順槽計算機控制中心實時通信，獲得運輸機的運行數據，采煤機一旦檢測到運輸機過載后，采煤機自動降低行走速度，防止運輸機的過負荷運行而損壞電機。

3.2 電氣結構設計

薄煤層地質條件復雜，采煤機開采過程中的振動非常大，因此解決薄煤層采煤機電控箱的抗振動問題是解決薄煤層采煤機電氣系統可靠性的前提，在元器件的選型上要有足夠的裕量、變頻器的抗振性方面要采取措施。

3.3 電牽引采煤機監控程序的研制

薄煤層電牽引采煤機在井下工作，工況條件很復雜，必須有完善、可靠的軟硬件支持才能可靠運行。

電牽引采煤機的程序功能主要是控制、監測和通訊功能。控制的任務就是采煤機的各種動作，即采煤機的啟動、停止;左、右牽引;左、右滾筒的升、降等。監測保護功能有:截割電機過電流保護;截割電機溫度保護;泵電機溫度保護;瓦斯超限保護;牽引電機和電控箱水流量保護;牽引變壓器溫度保護;變頻器故障保護;采煤機過零保護等。通訊功能主要有:采煤機與順槽設備實時通信;采煤機工作面定位技術的研究;三機之間聯動的研究;井下綜采設備遠程數據的監測。

電氣控制系統的核心部件選用貝加萊的可編程計算機控制器PCC，它綜合了PLC和工業PC機兩者的技術優勢，可靠性高，抗干擾能力強，具有高速的運算能力、大容量內存和存儲單元，良好的擴展性和開放的通訊、組網能力;并且采用模塊式硬件結構，接線簡單，連接可靠。PCC的輸入輸出系統能夠直觀的反應現場信號的變化狀態，另外，該PCC還具有完善的自診斷、自測試功能。采煤機在實際生產應用中，PCC程序運行穩定、可靠。

4 結論

國家加大對煤炭企業的投入，除繼續建設高產高效礦井，提高采掘機械化水平，發展中、厚煤層一次采全高以及特厚煤層的放頂煤開采技術和裝備外，研制開發適合我國國情的薄煤層開采技術和裝備，不僅成為各煤礦亟待解決的問題，也成為我國煤炭工業研究探討的重要課題，受到我國煤炭行業各方面的重視。目前，已有鐵法、西山、晉城、大同、兗州、淮南、淄博、陽泉、沈陽等10多個礦務局引進或提出要引進大功率薄煤層采煤機，其中有相當一部分礦對引進采煤機還是上國產采煤機采取觀望態度。因此，用戶對薄煤層采煤設備的要求越來越高，性能參數優、可靠性高、裝機功率大、自動化和智能化程度高的采煤機很受用戶歡迎。潛在的市場很大，前景廣闊。

［1］ 方新秋，張雪峰．無人工作面開采關鍵技術［C］//中國煤炭學會開采專業委員會．煤炭開采新理論與新技術論文集．徐州:中國礦業大學出版社，2006:55－59．

［2］ 史立山．中國能源現狀分析和可再生能源發展規劃［J］．可再生能源，2004(5):1－4．

［3］ 李春華，劉春生．采煤機滾筒自動調高技術的分析［J］．工礦自動化，2005(4):48－51．

［4］ 王啟光，李炳文．電牽引采煤機現狀及發展［J］．礦山機械，2004(9):6，11－13．