綜采工作面重型刮板輸送機的現狀與發展趨勢

姜舉臣

（神華神東煤炭集團公司三道溝煤礦，陜西 榆林 719400）

中國的煤礦以井工開采為主，占到煤炭總產量的80%，綜合機械化采煤是最先進的井工采煤工藝，具有生產能力大、安全性高，回采率高、經濟效益好的優點，現代化礦井的高強度生產模式對綜采設備的可靠性和自動化提出更高的要求。

1. 工作面刮板輸送機發展現狀

進入21世紀后，在技術進步和市場需求的推動下，刮板輸送機向大運量、長運距、大功率、高可靠性和長壽命方向發展，綜采工作面擺脫供電容量的束縛，重型刮板輸送機獲得空前發展，鑄焊式中部槽因可靠性高、制造靈活、配套方便得到廣泛應用，中部槽內寬達到1000～1400mm，鏈條規格為Φ42～Φ60mm，裝機功率2×700kW～3×1600kW， 輸 送 能力2500～5000t／h，輸送距離延長到300～450m，工作面年產量達到600～1000萬噸。

1.1 進口工作面刮板輸送機在國內的應用

20世紀90年代末，神東煤炭公司引進美國JOY公司AFC1000/2×700型刮板輸送機，采用“雙速電機+摩擦限矩器”驅動，功率2×700kW，使用交叉側卸方式、鑄焊式中部槽和Φ38×137緊湊型鏈條，槽寬1000 mm，鏈速1.51 m/s，輸送能力2500 t／h，鋪設長度250 m，采高4.5m，年產量達到300～600萬噸。

2005年以后，神東公司又陸續引進美國JOY和德國DBT的刮板輸送機，驅動功率3×855 kW和3×1000 kW，采用閥控充液偶合器或CST軟啟動方式、Φ48×152 mm的鏈條，鏈速提高到1.8 m/s，輸送能力3000 t／h，鋪設長度達到360m，采高5.5m，年產量達到800萬噸。

2007年5月，神東公司引進JOY公司的AFC1250/3×1000型刮板輸送機在上灣煤礦6 m大采高工作面成功應用，槽寬1250 mm、功率3×1000 kW，較先前的5.5 m采高煤炭回采率顯著提高。

2010年至今，神東公司引進德國DBT公司的PF6H 1542/3×1600刮板輸送機在7 m采高工作面使用，槽內寬1388 mm，采用Φ60 X181/197 變節距高強度鏈條，功率3*1600 kW，鏈速1.65 m/s，運量5000 t/h，設計長度400 m，年產量突破1000萬噸。

大量國外高端煤機裝備的進入推動了國內煤礦開采技術的現代化，同時對國內煤機市場造成一定沖擊，但經過幾十年的發展，國內煤機生產企業已具備較強的產品研發和制造能力，在競爭中不斷提升產品品質，推動了國內煤礦開采技術的進步。

1.2 國產工作面刮板輸送機的發展

2002年10月，中煤張煤機公司研制的SGZ1000/2×700型刮板輸送機，在同煤集團四老溝礦投入使用，槽寬1000mm，功率2×700kW，采用交叉側卸、整體鑄焊式中部槽、126mm節距鍛造銷軌、Φ38X137 mm緊湊型加強鏈，鏈速1.25 m/s，運量2500 t／h，設計長度250米，實現了4.5m一次采全高。

2006年7月，第一套國產SGZ1000/3×700型刮板輸送機在昌漢溝礦投入使用，使用Φ48×152mm緊湊型高強度圓環鏈、147 mm大節距整體模鍛銷軌、高強度交叉側卸機頭架，適應高5.5m，輸送長度300m、輸送能力3000 t/h，最高日產4.23萬噸、月產達到80.4萬噸。2007年9月，昌漢溝礦使用國產SGZ1000/3×1000型刮板輸送機在創出月產100.8萬噸、最高日產4.62萬噸的紀錄。

2009年，中煤張煤機、天地奔牛和山西煤機廠生產的SGZ1250/3×1000型刮板輸送機在陜煤、寧煤、伊泰、晉城等各大煤礦得到廣泛的應用，綜采工作面采高達到6 m，年產量達到800萬噸。

2011年11月，中煤張煤機公司研制驅動功率3*1500kW的超重型刮板輸送機，運量5000噸/小時，采用Φ56×187圓環鏈、172mm節距整體模鍛銷軌，設計長度400米，在三道溝煤礦7 m采高大采高工作面投入使用，至今已在井下連續使用3個工作面，設備運行狀況良好，過煤量已超過1600萬噸。

由于頂板壓力大，支架穩定性變差等原因，對于7米以上煤層采用放頂煤開采比較適宜。2003年，平朔公司安家嶺井工礦采用國產SGZ1000（1200）/2×700型刮板輸送機，功率2×700kW，配套φ42×146緊湊型高強度鏈條，運輸能力2500t/h，長度250m，最高日產5.2萬噸，月產達到130萬噸。

2008年7月，平朔公司放頂煤工作面陸續采用國產SGZ1000/2×1000kW型前部刮板輸送機和SGZ1200/2×1200kW型后部刮板輸送機，采用閥控充液型偶合器軟啟動，φ48×152高強度鏈條，輸送能力2500～3000 t/h，工作面長度300m，月產達到了118萬噸，實現了14 ～ 20米厚煤層一次采全高。

2. 重型刮板輸送機零部件技術現狀

刮板輸送機由機頭傳動部、中部槽、機尾傳動部、驅動系統、鏈傳動系統、及相關的電控和運行監控系統等構成。

2.1 機頭架

根據卸載方式，機頭架分為端卸機頭架和側卸機頭架兩大類

2.1.1 端卸式機頭架

輸送機端卸式機頭架與轉載機溜槽相互搭接，配置靈活，能夠適應工作面起伏和傾角變化等復雜的地質條件；機頭架體積小，便于運輸，能適應小的順槽斷面尺寸。在地質條件差的中、東部地區的煤礦綜采刮板輸送機普遍使用端卸式機頭架。

2.1.2 交叉側卸式機頭架

交叉側卸式機頭架與轉載機機尾連成一體，機頭架上的圓弧形犁煤板能夠使煤流順利轉向90°，卸載更加通暢，減少了大塊煤的堵塞與破碎；機頭架高度低，有利于采煤機割透煤壁，便于設備配套；順槽設備和機頭架同時采用端頭支架推移，推進速度快。

側卸式機頭架的缺點是體積大、運輸困難，同時要求煤層起伏平緩、順槽斷面尺寸大。側卸式機頭架在地質條件好的西部地區應用廣泛。

2.2 中部槽

鑄焊式中部槽是目前最常用的形式，鏟板槽幫和擋板槽幫采用鑄造成型，中、底板為高強耐磨板，鑄焊式中部槽優點是槽幫剛性好，零件數量少，焊接工作量小；可根據實際需要等改變槽幫形狀與尺寸及性能，鑄造槽幫的性能和外形尺寸要求嚴格，機械性能達到600～900MPa；槽幫與中板結合面采用熔透的焊接方式，達到母材自身強度。目前，1000mm內寬高質量中部槽過煤量能達到2000萬噸以上。

2.3 軟啟動裝置

大功率刮板輸送機普遍采用的軟啟動有CST、閥控液力驅動、變頻驅動三種方式。

2.3.1 CST可控傳輸裝置

CST可控傳輸裝置是在減速器輸出端的行星架配置液粘摩擦離合器，可實現設備的空載起動和運行時的功率平衡。由于摩擦離合器布置在低速輸出端，出現過載沖擊時，離合器反應迅速，能夠有效隔離電機和減速器的轉動慣量對鏈傳動系統的沖擊，過載保護性能良好，延長鏈條使用壽命，但CST內部結構復雜，維修難度大、成本高。

2.3.2 閥控充液型液力偶合器

閥控充液型液力偶合器采用雙渦輪結構，以清水作為工作介質，通過自動的閥控換液系統使水溫保持在50度以下，具有液力傳動特有的軟啟動和功率平衡功能，同時起到電機和減速器之間的隔震保護。早期的閥控偶合器采用閉式循環方式供液，對水質要求高，電磁閥易結垢堵塞，后來改為開式循環，解決了電磁閥結垢問題，工作可靠性顯著提高。

2.3.3 變頻驅動

近幾年，隨著技術的不斷成熟和成本的降低，大功率高壓變頻驅動在刮板輸送機上得到更多的應用，采用變頻驅動不僅可實現設備按照預定的加速度啟動，實現多電機驅動的功率平衡，同時可根據負載的大小長時間變速運行，電機自身的保護功能比較齊全，能夠實現真正意義上的智能驅動

三種軟啟動方式的比較：刮板輸送機上應用CST技術為DBT公司獨有，開放性差，成本高，限制了其推廣使用；閥控充液型液力偶合器的主體為機械構件，不存在元件老化問題，檢修時通過更換軸承、密封和電磁閥等易損件，就能夠長期使用，費用降低，目前在重型刮板輸送機上應用最多；變頻驅動的元件價格高，設備初期投資大，變頻驅動技術需要繼續改進提高。

2.4 大功率減速器

刮板輸送機用減速器工作特征是低速重載、沖擊頻繁、體積受限，潤滑和散熱性能差。目前，中小型刮板輸送機普遍采用國產減速器，重型刮板輸送機對減速器性能要求高，進口產品占較大的比重。

由于設計手段的落后和設計經驗的缺乏，以及生產制造過程中的不穩定性，國產減速器的體積被放大，以保證足夠的安全系數；齒輪和箱體加工精度以及裝配質量的問題也導致減速器震動和噪聲等綜合性能指標與進口產品存在差距，密封失效、軸承損壞等問題降低了減速器工作的可靠性。

2.5 可伸縮機尾架與鏈張力調節系統

由于采煤機的往復運行割煤，刮板輸送機的負載隨之周期性變化，刮板鏈張力也需要隨負載大小而調節，否則過大的鏈張力會加速鏈條磨損，增加功率損耗；鏈張力過小則容易發生堆鏈，造成鏈條扭結損壞。理論計算表明，對于刮板輸送機在運距300米的情況下，鏈條的伸長量達到800mm，手動預張緊模式不能保證刮板鏈隨時處于適度張緊工作狀態。目前，長運距的刮板輸送機都采用可伸縮形式的機尾，便于鏈張力手動的調節。國內外各刮板輸送機廠家也陸續開發了相應的鏈張力自動控制系統。

美國JOY公司刮板輸送機的鏈張力自動控制系統的原理是在機尾設置磁性傳感器，檢測鏈條的懸垂程度，并產生強弱變化的感應信號，PLC邏輯處理單元根據感應信號的特征，來判定鏈條松緊程度，確定伸出或收縮機尾，實現鏈張力的自動調節。由于鏈輪傳動的多邊形效應使得鏈條上下抖動劇烈，測得的信號不能真實反應鏈條松緊，同時惡劣的工況也導致系統工作不穩定。JOY公司的鏈張力自動控制系統在設備上未能成功應用。

德國DBT公司刮板輸送機鏈張力自動控制系統是依托自身獨有的CST驅動技術，通過對減速器的輸出扭矩的測定，計算分析鏈條的實際受力狀況，確定出伸縮機尾油缸合理的張力數值，自動控制系統據此對油缸壓力進行調整，實現鏈張力調節。DBT公司的鏈張力自動控制系統在地質條件好的礦井應用比較成功，在地質條件差的工作面，也常因為工作不可靠而被舍棄。

國內各廠家的鏈張力自動控制系統在原理上沒有大的突破，未能夠實現真正意義上的自動張緊。從目前來看，對鏈條松緊程度的判定是一個難點，只有能夠確定鏈條的松緊程度，才能保證的鏈張力自動控制系統的穩定運行。

2.6 鏈輪組件

工作過程中，刮板輸送機的鏈輪組件在煤、水和沙石中運行，鏈窩在與鏈環嚙合過程中承受巨大的交變載荷、附加的沖擊載荷，以及滑動磨擦和磨料磨損，鏈輪在耐磨的同時，還要有較高的強度和韌性。鏈輪組件的密封也非常關鍵，大工作負荷下，一旦密封失效，潤滑油泄漏，煤和水等進入到工作腔，引起軸承損壞。

由于鏈輪與鏈條兩者之間是非共軛嚙合，運轉精度要求低，為提高耐磨壽命，鏈輪通常采用淬透性好高合金材料，齒面淬火處理，硬度HRC48～58，淬硬層深度達到20mm，大型的鏈輪使用壽命達到400～600萬噸。鏈輪窩采用數控機床加工成形，具有較高精度。

2.7 高強度緊湊型圓環鏈

圓環鏈是刮板輸送機最薄弱的環節，它長時間承受交變應力的負荷和頻繁的瞬間重載沖擊，還受磨損、腐蝕等多種因素影響。圓環鏈的強度直接關系到整機的可靠性。目前，國產礦用圓環鏈最大規格到Φ48×152，破斷負荷為3290kN，國外正式投入使用的礦用圓環鏈最大規格是Φ60×181/197，破斷負荷為4920kN。

目前國內外大規格圓環鏈的材料通常采用23MnNiCrMo54高合金精煉鋼，拉伸強度極限值≥1600～1800 MPa。采用閃光對焊工藝，避免了焊接過程中的過熱、過燒等問題。在質量檢測方面，對原材料、焊接和熱處理后的組織進行金相分析，對拉伸斷口利用掃描電鏡進行斷口分析；采用預拉伸強化工藝，提高鏈環承載能力和疲勞強度。

為在同樣的槽幫高度下使用更大規格鏈條，適應大運量和大功率的要求，目前重型刮板輸送機上通常采用扁平鏈（又稱緊湊鏈）：平環仍然是正常的鏈環，能與鏈輪的正常嚙合，立環高度被壓縮。立環通常采用鍛造成形，再通過焊接平環聯在一起。扁平鏈的立環與中板接觸面積增大，提高了抗磨損性能。

2.8 銷軌

重型刮板輸送機配套的采煤機牽引銷軌采用優質合金精密模鍛成形，強度高，耐沖擊；銷齒表面采用中頻淬火，提高表面耐磨性。銷軌的節距主要有126mm 和 147mm 兩種，能承受的采煤機牽引力分別為1000千牛和1600千牛，最新7米采高工作面刮板輸送機配置的節距172 mm銷軌，可承受采煤機牽引力達到2000千牛。

3. 國內刮板輸送機發展存在的問題

經過幾十年技術引進、消化吸收和自主研發，我國已建成完整的煤機裝備開發和制造體系，刮板輸送機的整機產品開發也與國際先進水平的保持同步，為煤炭產量的穩定增長提供了有力的技術支撐，但同時也有很多因素制約著行業的健康發展。

3.1 產品以仿制為主，重大技術創新能力缺乏。

我國產品的開發主要是從引進、跟蹤仿制開始，缺乏完整的自主創新的體制和相應的激勵機制，技術研究資金投入嚴重不足，國內研究院和設備制造企業更多的是從事“短、平、快”應用性研究，較少的進行基礎性、全面深入的系統性研究，核心技術缺乏，產品開發滯后，重大突破性的技術創新仍被國外公司主導。

3.2 整機已實現國產化，核心部件及材料依賴進口

目前，中小型刮板輸送機已完全實現國產化，重型刮板輸送機大型結構件的焊接、高強度槽幫的鑄造以及銷軌、啞鈴、刮板的鍛造等難題都已經解決，但關鍵的核心零部件如軟啟動裝置、大功率減速器、高強度緊湊型鏈條依賴進口，中部槽采用的高強耐磨中板、以及軸承和密封等也通常進口。某些合同執行過程中，進口材料和進口零部件成本甚至超過設備總值的50%。嚴重削弱企業的盈利能力，制約了企業的發展。

3.3 技術參數與國外產品接近，設備運行可靠性低

國內刮板輸送機的運量、運距等各項技術指標與國外同等產品相當，能夠滿足基本的使用要求，但整機可靠性差、使用壽命低，由于制造水平與經驗的局限和質量控制不夠嚴格，設備在使用中故障率高，日常維護量大，同規格國產刮板輸送機的無故障運行時間相當于國外產品的70%～80%，進口設備1000 mm槽寬中部槽的壽命通常能達到2000萬噸，國產中部槽超過1500萬噸后，焊接和鑄造等質量缺陷引起的問題就會頻繁出現。

3.4 產品標準化程度低，互換性差

近十年，刮板輸送機技術發展很快，新機型不斷推出，相關產品標準制訂滯后，又由于缺乏權威的行業主管部門的有強制力的管理，生產廠家各自為政，出于設計習慣和設計理念的等方面原因，不同廠家的同一機型零部件難以互換，即使同一廠家的同一機型的零部件也經常存在差異，不僅帶來設備生產過程的困難，也給用戶使用造成很多不便。

4. 重型刮板輸送機的發展趨勢

中國的占全球總產量的50%，但煤炭生產的機械化程度與世界先進水平仍有很大差距，《煤炭工業“十二五”發展規劃》提出的重點任務是繼續推動大型企業集團發展和大型現代化礦井建設，刮板輸送機未來的發展趨勢是：

（1） 向大型化發展。大采高工作面具有生產效率高、安全性高、經濟效益好的特點，能夠顯著提高厚煤層煤炭回采率。以神東為代表的大型煤炭集團也將300m長度以上工作面、5m以上大采高、3000m以上長走向作為主要開采方式，年產量達到1200萬噸。設備向大型化發展的重點是加強軟啟動裝置、減速器、鏈條等核心部件的研發，提高國產化率。

（2） 向高可靠性方向發展。運用動態設計技術、可靠性技術、工藝等，提高設計水平和制造質量，保證減速器過煤壽命達到2000萬噸，鏈輪過煤壽命達到800萬噸，中部槽過煤量大于2000萬噸，確保刮板輸送機開機率達到85%以上，減少停機造成的損失，降低工人的勞動強度和備品備件的消耗。生產企業應改變“重量輕質”的觀念，在產品開發過程中，認真進行動態設計和可靠性設計等先進設計方法，對制造工藝關鍵技術進行重點研究；生產過程堅持嚴格的質量標準，確保產品使用可靠性。

（3） 向自動化、智能化、信息化方向發展。運用機電液一體化技術，自動化技術、信息化技術實現刮板輸送機的工況監測、預報型故障診斷、與采煤機和支架聯動與通信，實現整個采煤工作面的自動化控制，使工作面生產過程自動化、采煤工藝智能化、工作面管理信息化。

（4） 向標準化、規范化方向發展。刮板輸送機零部部件普遍標準化，規范化，以更嚴格的產品技術標準促進設計水平、制造工藝水平、產品技術性能的提高，為用戶提供更優質的產品和服務。

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