大功率采煤機(jī)通用研制思路探討

李寧波

【摘 要】在采煤機(jī)的研制中，大功率采煤機(jī)的研制可否成功是關(guān)系到企業(yè)能否適應(yīng)市場(chǎng)需求的關(guān)鍵，本文從采煤機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)選型上提供了一種模板和設(shè)計(jì)思路，可供設(shè)計(jì)者和工礦企業(yè)選型參考。

【關(guān)鍵詞】大功率采煤機(jī)；牽引部和搖臂技術(shù)研究；電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型；部件試驗(yàn)方法

背景資料：目前，在世界煤炭工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，礦井建設(shè)采用一礦、一井、一面的模式，在中厚或厚煤層的綜采工作面開采中，采用大功率、大采高、高性能的交流變頻電牽引采煤機(jī)。

由此可以看出國(guó)外大功率、大采高采煤機(jī)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）總體結(jié)構(gòu)趨向模塊化，多電機(jī)橫向布置方式

2）總裝機(jī)功率不斷增大，性能參數(shù)大幅度提升

3）機(jī)械元部件可靠性大幅度地提高

4）控制、檢測(cè)系統(tǒng)智能化

由此可見發(fā)展大功率采煤機(jī)是企業(yè)能否發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)對(duì)研發(fā)提出了更高的設(shè)計(jì)理念。

1 電牽引采煤機(jī)的種類及發(fā)展方向

在電牽引采煤機(jī)的發(fā)展過程中，電牽引調(diào)速方式基本上可以分為四大類。

第Ⅰ類：直流調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅱ類：交流變頻調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅲ類：電磁滑差調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅳ類：開關(guān)磁組電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

隨著交流變頻器的發(fā)展，交流調(diào)速已日益顯示出技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速技術(shù)已相當(dāng)成熟，通過變頻器對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上恒功率調(diào)速，滿足采煤機(jī)實(shí)際工況的要求，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是電牽引發(fā)展的主流。

2 總體研制思路

根據(jù)不同煤礦用戶的需要，結(jié)合我廠的加工工藝、安裝水平實(shí)際情況，向國(guó)外先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)，總體設(shè)計(jì)思路和理念主要有以下幾點(diǎn)：

1）在有利于搬運(yùn)、下井便利方面可采用美國(guó)JOY的三段機(jī)身結(jié)構(gòu)，減少了不可拆卸的重量、體積，降低了制造工藝難度。

2）在抗振動(dòng)方面可采用積木式結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，不但解決電控箱振動(dòng)，受力及適應(yīng)性問題，而且解決電氣元件抗干擾問題，易于維修和更換。

3）在緊固技術(shù)方面可采用長(zhǎng)液壓螺栓緊固技術(shù)，解決機(jī)身聯(lián)接和緊固問題。

4）在平衡拖動(dòng)方面采用國(guó)外主流的“一拖一”主、從控制技術(shù)；

5）牽引拖動(dòng)系統(tǒng)可選用變頻器的主、從控制宏及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC控制）。

3 關(guān)鍵技術(shù)的研究及設(shè)計(jì)采取的措施

3.1 牽引部和重型液壓拉杠技術(shù)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電牽引部傳動(dòng)速比大，體積要小，牽引部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式已由多級(jí)平齒輪傳動(dòng)和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)向多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)發(fā)展，牽引部采用兩級(jí)平齒輪兩級(jí)行星減速傳動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少行星頭外徑尺寸，縮短牽引部的長(zhǎng)度和寬度。

采煤機(jī)采用無底托架結(jié)構(gòu)，要保證采煤機(jī)在工作過程中，特別是過斷層時(shí)，機(jī)身三大塊不松動(dòng)使其緊緊地聯(lián)接為一整體，選用大規(guī)格、超長(zhǎng)重型液壓拉杠緊固技術(shù)，重點(diǎn)要對(duì)液壓拉杠的材料性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理及制造工藝，機(jī)身選用4根液壓拉杠，結(jié)構(gòu)選為圓形，便于加工制造，減小應(yīng)力集中。

3.2 大功率搖臂和冷卻降溫技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用大型有限元分析ANSYS軟件，需要對(duì)搖臂行星減速器進(jìn)行彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的分析，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)太陽(yáng)輪、行星輪、行星架及軸承等元部件進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。搖臂采用直搖臂結(jié)構(gòu)比較好設(shè)計(jì)和制造，機(jī)械傳動(dòng)采用兩級(jí)平齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)減速器。采用分離油池，保證行星頭的潤(rùn)滑。搖臂傳遞功率大，散熱面積小，可以選用采取搖臂內(nèi)腔和行星頭腔內(nèi)設(shè)置水冷卻器技術(shù)措施，來解決了搖臂溫度過高的問題。

3.3 行星頭浮動(dòng)密封技術(shù)的研究

搖臂行星頭浮動(dòng)密封漏油問題是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，由于漏油很容易造成行星輪打齒，行星輪損壞現(xiàn)象。傳統(tǒng)的行星架支承方式是，一端是圓柱滾子軸承，靠煤壁側(cè)的一端是雙列調(diào)心滾子軸承，這種軸承能承受較大的徑向力，又可以承受一定的軸向力，軸承內(nèi)、外圈軸向游隙量比較大，特別是當(dāng)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀時(shí)，受到很大的軸向力，軸承磨損量加大，軸向竄動(dòng)量也相應(yīng)加大，導(dǎo)致浮動(dòng)密封圈破壞而造成漏油。行星架軸承決定一端采用圓柱滾子軸承，靠煤壁側(cè)的一端最佳采用雙列圓錐滾子軸承，該軸承承受軸向力大，安裝時(shí)不用調(diào)整軸向間隙，軸向竄動(dòng)小，保證浮動(dòng)油封有一定的壓縮量而不致漏油。

3.4 調(diào)高液壓系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

調(diào)高液壓系統(tǒng)最常見的問題是齒輪泵損壞，系統(tǒng)發(fā)熱問題。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上將調(diào)高控制油路與調(diào)高工作油路分開，采用雙聯(lián)泵，大泵是調(diào)高油缸油源，小泵是控制油源，這樣就可以有效地避免在系統(tǒng)中增設(shè)大流量的背壓閥或減壓閥，減少系統(tǒng)的發(fā)熱。根據(jù)泵的流量進(jìn)行相匹配的操縱閥組，液壓元件選型及管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)增設(shè)冷卻器等技術(shù)措施，有效地降低了油液溫度，提高了齒輪泵的使用壽命。

3.5 電氣控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

1）采用“一拖一”、直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC控制）

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”方式，就是指一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)牽引電機(jī)，一臺(tái)采煤機(jī)由兩個(gè)變頻器分別控制兩臺(tái)電機(jī)，選用ABB的ACS800系列變頻器，采用DTC控制方式，即直接轉(zhuǎn)矩控制，又兼有主、從應(yīng)用宏。主、從應(yīng)用宏標(biāo)準(zhǔn)軟件這樣可以解決兩個(gè)牽引部受力平衡問題，避免造成牽引部、行走機(jī)構(gòu)的損壞。

2）選用完善的控制、監(jiān)測(cè)保護(hù)功能

控制系統(tǒng)選用用可編程控制器PLC和工控機(jī)控制，大屏幕彩顯，具有智能檢測(cè)的故障自診斷功能。

3）選用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

能夠?qū)⒉擅簷C(jī)信息實(shí)時(shí)傳至順槽監(jiān)控中心，經(jīng)過視頻系統(tǒng)將采煤機(jī)視頻信息實(shí)時(shí)傳至地面調(diào)度中心，再由地面調(diào)度中心傳至廠家監(jiān)控中心，廠家可以通過視頻對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)服務(wù)。

4）電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路探討

高壓開關(guān)箱、變頻器箱和高壓器箱分別裝入機(jī)身的框架內(nèi)，電控箱不受力，拆、裝、運(yùn)、維修方便。電氣的高低壓元件采用分箱布置，增強(qiáng)了抗干擾能力。變壓器箱三面環(huán)水，有效地解決了變壓器散熱問題，具有良好的冷卻效果。

3.6 采煤機(jī)試驗(yàn)方法思路探討

采煤機(jī)部件安裝完畢后需要對(duì)部件進(jìn)行模擬工礦試驗(yàn)，可以選用水力測(cè)功機(jī)加載模式和電反饋加載模式，水力測(cè)功機(jī)加載模式與電反饋加載模式比較，功率損失比較大，大多不能實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)化模擬工礦實(shí)際情況，電反饋加載模式是比較流行的加載部件方法，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化模擬工礦試驗(yàn)，在部件加載過程中可以單個(gè)搖臂或者兩個(gè)搖臂對(duì)拖方式都可以實(shí)現(xiàn)加載，牽引部可以采用對(duì)拖方式加載，既方便又快捷的實(shí)現(xiàn)加載。

4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及推廣應(yīng)用成果

大功率交流變頻電牽引采煤機(jī)在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)性能、生產(chǎn)能力指標(biāo)等方面均選用具有高度的智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化，可靠性高的特點(diǎn)，通過井下工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)一步提高完善大功率采煤機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，逐步取代進(jìn)口同類產(chǎn)品。

大功率采煤機(jī)研制選型的應(yīng)用將有廣闊的市場(chǎng)需求和良好的推廣應(yīng)用前景，勢(shì)必為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]