薄煤層滾筒式采煤機(jī)大功率截割系統(tǒng)的研發(fā)

劉 杰

（同煤集團(tuán)云崗礦機(jī)電科， 山西 大同 037017）

引言

云崗礦5014工作面因煤層堅(jiān)固性系數(shù)高達(dá)10，一直采用炮采工藝方式，使得工作面的生產(chǎn)效率不高，同時(shí)井下復(fù)雜的工作環(huán)境也使得勞動(dòng)條件較差。為實(shí)現(xiàn)同煤集團(tuán)提出的高產(chǎn)高效的開(kāi)采目標(biāo)，同時(shí)解決含硫化鐵硬結(jié)核堅(jiān)固煤層的回采難題。該礦決定對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)研究。煤炭生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化始終是追求的目標(biāo)，綜合機(jī)械化開(kāi)采是解決煤炭生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差的根本途徑，是提高安全生產(chǎn)最有力的保障，也始終是云崗礦多年來(lái)想努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因此，研究薄煤層滾筒式采煤機(jī)大功率截割系統(tǒng)，加強(qiáng)云崗礦機(jī)械化開(kāi)采力度，為實(shí)現(xiàn)云崗礦高效高產(chǎn)安全開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

云崗礦7號(hào)煤層的賦存條件與8號(hào)煤層存在較大的差別。8號(hào)煤層厚度更薄，煤層、硫化鐵結(jié)核及夾矸硬度更大，夾矸厚分布不均勻，增加了該煤層的機(jī)械化開(kāi)采的難度[1]。因此該礦決定對(duì)當(dāng)前使用的MG110/250-BW型采煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，結(jié)合8號(hào)煤層的開(kāi)采工況，提高該型號(hào)采煤機(jī)的相應(yīng)性能，讓其能更好的適應(yīng)含硬夾矸薄煤層的開(kāi)采情況。改進(jìn)優(yōu)化后的采煤機(jī)能在8號(hào)煤層進(jìn)行有效的開(kāi)采，因此確定該改進(jìn)型采煤機(jī)為云崗礦應(yīng)用機(jī)型。

2 搖臂增容強(qiáng)度分析

1）根據(jù)相應(yīng)要求，設(shè)計(jì)將采煤機(jī)單搖臂截割功率進(jìn)行擴(kuò)容，從2×55 kW增加至2×70 kW。從理論上驗(yàn)證擴(kuò)容后的截割功率是否滿足使用要求[2]。本次改造主要是針對(duì)MG110/250-BW型采煤機(jī)的改進(jìn)型。采高0.9～1.2 m，截深0.63 m，牽引速度0～5 m/min。云崗礦8號(hào)煤層5014工作面煤層平均厚度0.90 m，硫化鐵結(jié)核體的層位不定，堅(jiān)固系數(shù)為11。經(jīng)計(jì)算可知：工作時(shí)截割功率為231.32 kW，理論計(jì)算本機(jī)截割功率為4×70=280 kW，因此能滿足使用。

2）一軸軸承優(yōu)化。一軸轉(zhuǎn)速高達(dá)1470 r/min，實(shí)踐過(guò)程表時(shí)其使用時(shí)間非常之短，因此將軸承型號(hào)進(jìn)行更改，改NJ215型號(hào)為NJ22215型號(hào)。保持軸承的內(nèi)、外徑不變，寬度增加31-25=6mm，測(cè)試結(jié)果表時(shí)額定動(dòng)負(fù)荷可提高24.6%。

3）其他各軸擴(kuò)容后的變化值見(jiàn)表1。

表1 其他各軸擴(kuò)容后的變化值

從表1的數(shù)據(jù)值可以看出，增容后的截割部相對(duì)之前富余量有所降低，但都小于選用值，完全可以滿足使用。

4）扭矩軸設(shè)計(jì)?？紤]到截割功率的增大，因此調(diào)整扭矩軸的設(shè)計(jì)要求，調(diào)整扭矩軸花鍵為24Z×3 m，扭矩軸剪切斷面空刀直徑選擇Φ5mm、Φ59mm、Φ63mm三種方案。行星頭輸出端的2×Φ28mm圓柱銷(xiāo)改為缺口鍵結(jié)構(gòu)，如下頁(yè)圖1所示。

5）增加挑頂高度。設(shè)計(jì)將以往的將彎搖臂改為直搖臂，挑頂高度增加到142mm。

6）此次擴(kuò)容改造實(shí)施方案改動(dòng)部分如下：左搖臂殼、右搖臂殼、一軸、四軸、六軸、七軸、扭矩離合器、支承軸套。

圖1 圓柱銷(xiāo)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3 牽引部雙行星減速器設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的采煤機(jī)截割功率調(diào)整到了140 kW，因此增加了采煤機(jī)的自重，必須提高牽引力。由于液壓傳動(dòng)的調(diào)整，液壓系統(tǒng)壓力提高到17.5 MPa（175 bar），液壓馬達(dá)排量提高到63 mL/r，改變第二級(jí)行星減速器的傳動(dòng)比提高到4.44，牽引力能達(dá)到200 kN。由于牽引力的提高，經(jīng)計(jì)算，加大了第二級(jí)傳動(dòng)的齒輪的強(qiáng)度，模數(shù)提高到3.75，減速器外徑增加了16mm，保持原來(lái)殼體壁厚不改變，其他部位的機(jī)身厚度為310mm，機(jī)身局部厚度為325mm[3]。

4 薄煤層采煤機(jī)擋煤裝置研制

為解決8號(hào)薄煤層采煤時(shí)工作面煤層薄、工作空間狹小的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了薄煤層采煤機(jī)擋煤裝置。該裝置包括擋煤板、連接底座、行走部和側(cè)連接板，其中連接底座一端與采煤機(jī)連接，另一端連接行走部。該行走部底部基座兩端翹起，呈滑靴狀，其內(nèi)部設(shè)有齒輪，該齒輪與刮板輸送機(jī)齒軌相嚙合；側(cè)連接板和擋煤板分別設(shè)于連接底座兩側(cè)。

本裝置一端與采煤機(jī)相連接，以采煤機(jī)的運(yùn)行為動(dòng)力；另一端設(shè)有根據(jù)采煤機(jī)滑靴設(shè)計(jì)而成的行走部，通過(guò)行走部隨同采煤機(jī)一起行進(jìn)。在不影響采煤機(jī)正常工作的情況下，可解決采煤機(jī)因過(guò)煤量小造成的煤炭外溢問(wèn)題，同時(shí)提高了擋煤裝置在生產(chǎn)過(guò)程中的安全系數(shù)。行走部設(shè)有防護(hù)罩，這種設(shè)計(jì)保護(hù)了行走部?jī)?nèi)齒輪和其他部件，防止煤炭、矸石等落入行走部阻礙齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在擋煤裝置上安裝噴霧閥塊代替采煤機(jī)外噴霧，解決了采煤機(jī)外噴霧在采煤機(jī)割煤時(shí)被落煤掩埋而起不到降塵的問(wèn)題，提高了采煤機(jī)落煤降塵效率。作為優(yōu)化，連接底座上設(shè)有通孔，煤粉、矸石等可漏出擋煤裝置，方便擋煤裝置的清理。在采煤機(jī)上設(shè)有高清攝像頭，這種設(shè)計(jì)克服了綜采工作環(huán)境可見(jiàn)度低的缺陷，當(dāng)采煤機(jī)上采落特殊異物如珍貴礦石時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并作出相應(yīng)的處理。采煤機(jī)上有急停開(kāi)關(guān)，該急停開(kāi)關(guān)包括外殼、保護(hù)膜和防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)膜為一呈碗形的外凸薄膜，該保護(hù)膜覆蓋外殼敞口端，邊緣連接于托槽內(nèi)，托槽內(nèi)填充有水。防爆開(kāi)關(guān)外側(cè)設(shè)置水封不透氣外殼，可防止環(huán)境中可燃易爆氣體接觸開(kāi)關(guān)，避免了因操作產(chǎn)生的火花引爆氣體而導(dǎo)致爆炸等危險(xiǎn)事故；托槽內(nèi)添水，亦可根據(jù)水的滲透情況，作為密封效果是否完好的標(biāo)準(zhǔn)。

5 機(jī)器抗震動(dòng)及抗磨損研究

5.1 采煤機(jī)抗震動(dòng)方面

在8號(hào)薄煤層開(kāi)采中，采煤機(jī)在割煤過(guò)程中既要割落堅(jiān)硬結(jié)核和夾矸，又要掃頂作業(yè)，采煤機(jī)要求具有很強(qiáng)的抗震、防震性能。因此需要考慮增加機(jī)器重量，減小采煤機(jī)工作時(shí)的震動(dòng)幅度，降低連接件間的松動(dòng)時(shí)間，提高采煤機(jī)工作時(shí)的平穩(wěn)性。具體改進(jìn)如下：一是在有限的空問(wèn)內(nèi)增加機(jī)器的重量。對(duì)煤厚變大時(shí)，通過(guò)加裝配重板，機(jī)重可達(dá)20 t以上，進(jìn)一步提高機(jī)器抗震性能。與MG110/250-BW型采煤機(jī)相比，配重情況如下：總質(zhì)量24 t，增加了8 t，提離率達(dá)50%；左截割部重3442.97 kg，右截割部重3440.26 kg，總質(zhì)量 6883.23 kg，增加了 1345.23 kg，提高率達(dá)24.3%。二是優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)和截齒排列，使其工作平穩(wěn)，功率消耗少，減少對(duì)機(jī)體震動(dòng)的影響。三是滾筒轉(zhuǎn)向采用正向?qū)L方式，因滾筒直徑與煤層厚度大體相當(dāng)，前滾筒承擔(dān)了主要的割煤、裝煤上作，截割反力下壓機(jī)器，有利于機(jī)器的工作平穩(wěn)和裝煤。四是電氣系統(tǒng)在固定、防松方面采取有效的防震措施，關(guān)鍵部件選用抗震性能強(qiáng)的產(chǎn)品，電子器件、線路板與殼體間增加局部膠封固定，所有連線采用防松、快速接插件式連接。主控器組裝完成后，通過(guò)震動(dòng)測(cè)試后再進(jìn)行安裝[4]。

5.2 采煤機(jī)抗磨損方面

考慮到8號(hào)煤層的堅(jiān)固性系數(shù)高達(dá)10，必須提高采煤機(jī)的抗磨損性能。對(duì)MG110/250-BW型采煤機(jī)的主機(jī)體底面優(yōu)化改為鋪焊具有高抗磨性的材料，在提高采煤機(jī)機(jī)殼底面耐磨損情況的同時(shí)，還能提高機(jī)殼的強(qiáng)度。另外在截割部殼體的磨損處，也采用鋪焊高抗磨性的材料。

6 應(yīng)用情況

云崗礦針對(duì)8號(hào)煤層5014工作面的工況，對(duì)原MG110/250-BW型采煤機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改造，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出有針對(duì)性應(yīng)用的薄煤層滾筒式采煤機(jī)，并將該型號(hào)采煤機(jī)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。通過(guò)在5014工作面的應(yīng)用效果來(lái)看，該采煤機(jī)能有效消除薄煤層炮采工藝帶來(lái)的安全隱患，改善工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于提升云崗礦井整體產(chǎn)量。改進(jìn)后的薄煤層滾筒式采煤機(jī)的研發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用為開(kāi)采同類(lèi)型煤層提供了參考。