國內外電牽引采煤機對比研究及展望

王振乾，章立強，周常飛

(1.中國煤炭科工集團上海有限公司，上海 200030；2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

進入21世紀以來，國產無鏈電牽引采煤機逐步取得了長足的發展。截止2020年初，國產功率最大采煤機整機裝機功率已達3450kW，一次采全高最大采高可達9m；智能化及自動化采煤方面已可以實現工作面無人值守短時段采煤[1，2]。但由于穩定性、可靠性及壽命周期等方面因素的考慮，部分大型煤炭生產企業還是大量采購了進口采煤機，特別是全球兩大采煤機生產巨頭德國“艾克夫(Eichkoff)公司”(以下簡稱EKF)和美國原“久益環球(JOY Global)公司”(以下簡稱JOY)的產品；如國家能源集團神東公司、淮南礦業集團、晉城無煙煤集團等都擁有不少數量的進口煤機。由于各國設計理念、金屬材料性能、制造業發展程度等方面的差異，同等規格參數的進口采煤機和國產采煤機具有一定的差異。經過調研，本文從整機核心技術參數確定、整機結構布置、關鍵零部件材料選擇及綜合機械性能、液壓系統原理及核心部件等幾個方面對國產和進口采煤機的主要差異進行了分析研究。在對比分析研究的基礎上提出了國產電牽引采煤機需要提高的幾個方面及展望。

1 整機核心技術參數

對于特定開采工藝、煤層賦存、工作面傾角和仰俯采角度等的井工開采工作面，三機選型配套時首先可確定滾筒的直徑。根據BAKHTAVAR E.[3]等人的觀點，滾筒的直徑可根據以下公式選擇。

式中，D為滾筒直徑；Hmax為煤層最大可采厚度；Ha為煤層平均可采厚度。

滾筒直徑確定后，可根據煤質特性和產量要求設計滾筒螺旋葉片頭數、截割寬度和截齒布置形式等，然后確定滾筒的截割轉速，再根據滾筒轉速和牽引速度的匹配關系[4]進行截割功率和牽引速度及牽引力的核定，最后確定采煤機的總功率[5]。

根據現有機組比較，同等檔次裝機功率、采高和機面高度的國產采煤機和進口采煤機的滾筒核心參數(直徑、截深、葉片頭數和轉速)和截割功率等技術參數相差無幾。唯一的主要區別是，進口采煤機牽引電機的工頻較高(特別是JOY公司牽引電機額定頻率90Hz)，牽引電機工頻輸出時牽引速度較高，導致相同功率條件下其牽引力相對較小。同時，由于井工開采系統后續設備的連續性、煤質硬度等原因，大部分進口采煤機牽引電機恒扭矩工作時的牽引速度達不到其設計參數，導致其牽引電機的功率相對偏小。國產MG系列、德國SL系列、美國7LS系列目前最大裝機功率采煤機的主要參數見表1。

表1 各國同檔次大功率采煤機核心技術參數

2 關鍵零部件材料及性能

電牽引采煤機關鍵零部件選用的材料及最終熱處理性能對整機的可靠性和穩定性影響很大。采煤機自制類關鍵零部件主要包括殼體、齒輪(外齒和內齒圈)、行星架、軸及行走輪和導向滑靴等易損件。由于各國材料標準的不同，EFK公司SL系列、JOY公司7LS系列和國產MG系列電牽引采煤機關鍵零部件材料選用有一定差別，性能也有一定差異。各國對機械部分關鍵零部件的熱處理工藝占其性能的一大部分，熱處理工藝是每個企業的核心技術，只能從其最終綜合機械性能去推敲。部分關鍵零部件綜合機械性能見表2。行走輪和導向滑靴等易損件綜合機械性能見表3[6-8]。

由表2可知，殼體類零件，JOY公司7LS系列采煤機的材料機械性能和硬度最高，國產MG系列采煤機的材料機械性能和硬度次之，EKF公司SL系列采煤機的材料機械性能和硬度較低；外齒輪、行星架及軸類，JOY公司7LS系列、EKF公司SL系列及國產MG系列采煤機基本相同；內齒圈類，JOY公司7LS系列和EKF公司SL系列采煤機的性能明顯高于國產MG系列采煤機一個等級，究其原因為：JOY公司7LS系列和EKF公司SL系列采煤機的內齒圈均采用了齒面深層感應淬火[9]，而國產MG系列采煤機內齒圈一般采用齒面氮化處理。

由表3可知，行走輪性能對比，JOY公司7LS系列、EKF公司SL系列及國產MG系列采煤機行走輪齒面硬度相同，但EKF公司SL系列采煤機的材料機械性能更高。導向滑靴性能對比，JOY公司7LS系列采煤機的材料機械性能和硬度最高，EKF公司SL系列和國產MG系列采煤機的材料機械性能和硬度基本相同，但明顯低一等級；同時，JOY公司7LS系列采煤機導向滑靴導向口耐磨面一般采用深層感應淬火方式提高耐磨層硬度，淬硬層厚度可達50mm，最終耐磨面粗糙度高；EKF公司SL系列和國產MG系列采煤機導向滑靴導向口耐磨面一般為堆焊耐磨層[10]方式，雖然硬度可以很高但堆焊層厚度一般不高于10mm且耐磨面粗糙度偏低。扭矩軸性能對比，EKF公司SL系列和國產MG系列采煤機的材料機械性能和硬度基本相同，高于JOY公司7LS系列采煤機一個等級。

材料的性能與熱處理工藝有很大的關系。以上表2和表3所列采煤機關鍵零部件及易損件材料的機械性能及硬度為某種特定熱處理工藝下的數值。

表2 關鍵零部件材料及性能參數表

表3 關鍵易損件材料及性能參數表

3 結構布置及連接

3.1 整機結構

整體而言，目前無鏈電牽引雙滾筒采煤機的整機結構布置形式基本一致：由機身三段和左右截割傳動部組成，如圖1所示。其中機身三段部分由左右牽引行走部和中間控制箱構成，這一主結構各國采煤機均相同。但左右牽引行走部和中間控制箱的連接略有差異：JOY公司7LS系列采煤機的左右牽引部和中間電控箱的連接采用內嵌銷定位和四周密集短螺栓緊固加焊接強化的方式(如圖2所示)，而EKF公司的SL系列和國產MG系列采煤機的左右牽引部和中間電控箱的連接采用內嵌銷定位和上下左右各四根長螺桿組件的主連接和局部短螺栓強化副連接的方式，如圖3所示。

圖1 采煤機整機布置圖

圖2 7ls系列采煤機機身連接結構

圖3 MG系列和SL系列采煤機機身連接結構

按螺釘的預緊力等計算，圖2和圖3兩種緊固連接方式的強度基本相同，但裝配的方便性有較大的區別。圖2采用內嵌銷定位和四周高密度短螺栓緊固加焊接強化方式的機身連接只適用于大型礦井；圖3采用內嵌銷定位和上下左右各四根長螺桿組件的主連接加局部短螺栓強化副連接方式的機身對于井下安裝和拆卸非常方便；另外，當需要大修或更換大部件時，圖2焊接強化方式機身的焊縫將被割開，組裝時又需要焊接，這樣會降低連接部位的機械性能。

3.2 搖臂結構

JOY公司7LS系列、EKF公司SL系列采煤機截割傳動部的搖臂全部為直搖臂；國產MG系列采煤機截割傳動部的搖臂有不少整體彎搖臂。從裝煤效果考慮，對于較大采高的采煤機，直搖臂和彎搖臂下方的裝煤口面積相差無幾[11]；但從制造成本考慮，直搖臂可通用于左右截割傳動部，只需配套不同的左、右過渡架即可組成左、右截割傳動部。當前采煤機行業內搖臂殼體基本全部是鑄造件[12]，直搖臂的設計只需一套木模；而彎搖臂的搖臂殼體需要兩套木模，對于不是大批量生產的搖臂，多做一套木模的成本較高。從用戶角度出發，直搖臂結構的采煤機用戶僅需購置一套搖臂即可，而彎搖臂結構的采煤機用戶則需要購置左右搖臂。另外，由于各國對薄煤層劃分的標準不同，歐洲及美國將1.7m以下的煤層定義為薄煤層[13]，中國將1.3m以下的煤層定義為薄煤層。當設計開采1.3m以下薄煤層采煤機時，為了增大搖臂下方的裝煤口[14]，整體彎搖臂結構更具優勢；而對開采1.7m以下煤層的采煤機，直搖臂下方的裝煤空間已滿足。這也是JOY公司7LS系列采煤機、EKF公司SL系列采煤機截割傳動部無整體彎搖臂的原因之一。

這也符合現場實際效果：彎搖臂在采高較小工作面仍然具有其技術優勢，直搖臂在大采高工作面則更常用，各有利弊。

3.3 牽引部末級行星機構及與行走箱剛性連接

JOY公司7LS系列采煤機牽引部和行走箱采用四只圓柱銷定位、長螺釘把合連接結構，牽引部末級行星機構為開放式浮動結構，如圖4所示。

圖4 7LS系列采煤機牽引部末級行星機構及和行走箱定位

煤機牽引部和行走箱采用行走箱殼體本身凸出大圓銷和行走輪軸兩處聯合定位、長螺釘把合連接結構，牽引部末級行星機構為封閉式非浮動機構，如圖5所示。EKF公司SL系列采煤機牽引部和行走箱除了采用行走箱殼體本身凸出大圓銷定位外，另外增加了一個直角托架將牽引部下方和行走箱殼體下方用幾只圓柱銷再定位，最后用長螺釘把合連接，牽引部末級行星機構也為封閉式非浮動機構，如圖6所示。

圖5 MG系列采煤機牽引部末級行星機構及和行走箱定位

圖6 SL系列采煤機牽引部末級行星機構及和行走箱定位

行星機構由于制造、安裝等因素影響，理想的均載受力情況較難達到。為了補償加工差異等而引起不均勻受載的影響，采用部分零件浮動的方式[15，16]。21世紀的機加工技術已能保證行星輪的各項齒形參數的均載性，所以圖4的JOY公司7SL系列牽引部末級傳動的浮動行星機構從補償加工不均勻性，已無太大的必要，唯一的優點是可以將牽引部的齒輪油直接引入行走箱的兩組驅動輪軸承內對其稀油潤滑。同時此結構行星機構的行星架浮動導致結構上不能對外封閉：整個牽引部齒輪箱對外開放；一旦井下采煤機由于行走箱有故障需要更換時則必須首先放完牽引部齒輪箱中的齒輪油，且齒輪油容易污染更換環境。另外，這種末級開放式浮動行星機構的牽引部在備件運輸過程中相當不方便，或者要設計工裝封住此行星機構，或者要將此行星機構從牽引部拆解下來運輸；還有，圖4的開放式行星機構結構，運輸過程中容易造成齒輪傳動腔進入污物污染腔體，且運輸過程中也需要放空其齒輪油。從加工方面看，圖4的JOY采煤機行走箱和牽引部四只定位銷定位、長螺釘把合緊固結構，由于四只定位銷需要同時受載，所以要求兩箱體各銷孔具有很高的位置度才能保證，對加工精度的要求很高；最后一點，井下垂直更換圖4這種結構的行走箱時，四只銷子同時對中安裝也存在較大的困難。

SL系列采煤機用一塊空間兩面垂直的大托架(如圖6)將牽引部和行走箱巧妙的連接起來：①此大托架的設計正好占用了牽引部下方采空區側的角落空間，不會影響過煤高度；刮板機中部槽上的煤流自然堆積成正三角形狀；②此大托架增強了行走箱和牽引部連接的剛度，并可隨著行走箱增高而改變；③此大托架的結構設計，使一種牽引部殼體可以適應多種高度的行走箱，減少了牽引部殼體種類；④此大托架連接牽引部和行走箱的結構，使同系列采煤機可以通過增加行走箱高度及增加搖臂長度將最大采高增大約1m左右；這對某些特殊煤層的選型配套具有重要的意義。但圖6中的大托架有至少兩組相互垂直的定位銷孔，其形位公差的加工精度要求很高。如形位公差的精度達不到圖紙要求，將引起裝配困難、受力急劇惡化及早期失效等一系列后果。

3.4 牽引部高速傳動區

7LS系列和SL系列采煤機的牽引部高速傳動區均沒有分體設計，而MG系列采煤機的牽引部高速傳動區多采用分體設計的結構。兩種結構的傳動精度相同，但對加工工藝的影響較大。采用分體設計時，牽引部殼體寬度較小，在機床上可以從一側進刀加工全部的傳動系軸孔；而不分體設計時，牽引部殼體寬度較大，一般需要從殼體的煤壁側和老塘側兩次調頭進刀加工。要保證傳動系軸孔的形位公差則對加工設備的精度和工藝有更高的要求。

4 機械過載保護

7LS系列、SL系列及MG系列采煤機的截割傳動部齒輪傳動系的機械過載保護都由搖臂截割電機和一軸齒輪之間傳遞扭矩的扭矩軸剪切槽實現，如圖7所示；關于扭矩軸研究方面的資料[17，18]近年來很多，扭矩軸結構和細節設計也日趨完美。但近年來隨著截割功率加大，搖臂末級傳動行星機構的輸出扭矩劇增，導致搖臂末級及倒數第二級行星機構齒輪損壞不少。由于截割電機處扭矩軸離搖臂行星頭較遠，大功率搖臂行星頭處受到的尖峰沖擊載荷不能及時傳遞到扭矩軸剪切槽，所以細長扭矩軸及其剪切槽不能及時吸收沖擊載荷及瞬時破斷來保護齒輪傳動系[19，20]。對于這種情況，SL系列大功率采煤機采取搖臂行星頭兩級行星機構內齒圈和搖臂殼體采用柔性連接吸收沖擊載荷的結構來保護輸出端行星齒輪傳動系；具體結構為兩級行星機構內齒圈和搖臂殼體及連接套由一圈8到12只均布齒形銷而不是用實心銷進行周向定位，如圖8所示。當行星機構所受尖峰沖擊載荷傳遞到行星機構內齒圈時，連接內齒圈和搖臂殼體及連接套的兩圈均布齒形銷將依靠微變形吸收這些沖擊載荷并承受內齒圈的扭矩。如果是實心銷，則不具備這樣的功能。

圖7 扭矩軸

圖8 SL系列采煤機搖臂行星機構內齒圈齒形銷

SL系列采煤機及MG系列采煤機的牽引部齒輪傳動系的過載保護是由牽引電機和一軸齒輪之間傳遞扭矩的扭矩軸剪切槽實現的，其結構和功能同截割傳動部的扭矩軸，如圖7所示。7LS系列采煤機牽引部齒輪傳動系采用雙重保護：其牽引電機轉子輸出端首先安裝有摩擦離合器，摩擦離合器和牽引一軸齒輪之間由扭矩軸連接，如圖9所示。摩擦離合器的裝配和本身結構如圖10所示。當傳遞扭矩超過摩擦離合器的設計扭矩時，內外摩擦片之間將打滑，從而保護牽引系統齒輪傳動系。對于來不及傳到摩擦離合器的牽引部尖峰沖擊載荷，依然由扭矩軸吸收保護。

圖9 7LS系列采煤機牽引系統扭矩軸及離合器

圖10 7LS系列采煤機牽引電機離合器

另外，SL系列采煤機的行走箱驅動輪軸老塘側和驅動輪之間設計了一圈剪切銷來保護行走箱中低速傳動齒輪系，如圖11所示。當行走箱中齒輪受太大載荷時，驅動輪軸和驅動輪連接端蓋上的成組剪切銷將被剪斷從而保護行走箱。但此結構的缺點是當左右行走箱的這些剪切銷全部斷裂后，采煤機行走箱齒輪系將和牽引部內部齒輪完全失去連接，安裝在牽引部齒輪傳動系高速區的制動器將失去制動采煤機的功能。如遇到大傾角工作面，采煤機存在下滑的可能性。

圖11 SL系列采煤機行走箱驅動輪和驅動輪軸剪切銷

5 液壓系統

現代無鏈電牽引雙滾筒采煤機的液壓系統執行器只有搖臂調高油缸、破碎機調高油缸、頂護板調高油缸等雙作用單級油缸，液壓系統[21]相對簡單。特別是國產采煤機的液壓系統，更是簡潔，其故障點少，維護性好。進口SL系列和7LS系列采煤機的液壓系統和國產MG系列采煤機基本原理和框架構建一致，主要是多重保護、高精度過濾和均載及負載敏感等方面的區別。

圖12 SL系列采煤機液壓系統原理圖

SL系列采煤機經典液壓系統由油箱、吸油過濾器、透氣閥、調高電機和齒輪泵、高壓溢流閥、壓力過濾器、壓差開關、壓力表、雙移動控制塊、調高油缸、雙向液力鎖和低壓溢流閥等組成，液壓系統原理如圖12所示。由圖12可知，齒輪泵首先從油箱經過濾器吸油，壓力油又經壓力過濾器再次過濾后到達雙移動控制閥塊P口，到達P口的液壓油分為三路：一路到達三位六通主閥的進液口，一路首先節流后再經低壓減壓閥到達先導閥的P口，一路經系統循環油減壓閥后，在系統不調高的情況下，直接回到油箱；同時使整個系統保持1.5MPa的背壓。當按下搖臂“升起”按鈕調高時，電磁閥在電磁鐵作用下向右移動，控制油路中的壓力油由P口到達B口并最終作用在手液動主閥的右端，手液動主閥向左移動，使主閥左端的控制油經電磁先導閥A口至T口并流回油箱。同時，接通主閥的PC口、TD口，主油路中的壓力油經PC進入循環油路，經小孔節流后作用到工作壓力安全閥和循環油壓力安全閥上，使循環油壓力安全閥關閉，壓力油經P1到達H1，從H1到達K處，K處壓力油又分為兩路，單向閥C1被打開，壓力油進入調高油缸大腔，活塞桿伸出，搖臂升起；同時下落止動閘閥門通過控制管M被打開，然后壓力油經節流閥E到達F處，經主閥的DT口流回油箱。搖臂在調高過程中如果系統工作壓力超過27MPa時，工作壓力安全閥動作卸載，循環油路的壓力下降，循環油壓力安全閥動作，主油路卸載，系統壓力下降到工作壓力后工作壓力安全閥關閉，循環油壓力安全閥關閉，系統恢復正常工作狀態。如果工作壓力安全閥失效或卸載不能滿足需要使系統壓力繼續上升達到28MPa時，系統壓力安全閥動作使系統卸載。系統控制油路減壓閥的調定壓力為3.5MPa，當控制油路中的工作壓力超過4.5MPa時，控制油路壓力安全閥動作使控制系統卸載。系統調高工作完成后，循環油路中的壓力油經循環回液過濾器和兩個小節流口緩慢回油，循環壓力安全閥開啟，使整個系統保持1.5MPa循環壓力。如果調高油缸遇到外力的作用，而且外力超過了液壓缸的允許值，壓力安全閥通過控制管路M打開閥門E，使液壓油通過節流閥E到達F并流回油池。由于版面限制7LS系列采煤機液壓原理不再贅述。

國產MG系列采煤機的液壓系統相對簡潔一些，系統原理如圖13所示。系統主要由油箱、高壓安全閥、減壓閥、過濾器、壓力表、電磁閥及主控閥塊組成。除系統高壓安全閥及控制系統供油的減壓閥外，其余大部分為功能閥。系統原理一目了然，故障點少。

圖13 MG系列采煤機液壓系統原理圖

綜合分析JOY公司7LS系列、EKF公司SL系列和國產MG系列采煤機的液壓系統可知，JOY公司7LS系列采煤機和EKF公司SL系列采煤機液壓系統均在其主控閥的進油通道處引出了與負載相連的保護回路，當負載壓力高于工作壓力安全閥設定值時，工作壓力安全閥溢流卸載從而保護主控閥到執行器部分的液壓回路及整個液壓系統；EKF公司SL系列采煤機液壓系統中負載敏感保護回路的定差減壓閥與JOY公司7LS系列采煤機液壓系統的旁通比例閥有異曲同工之妙，但7LS系列采煤機液壓系統[22]的旁通比例閥對負載波動更能動態反應，也更敏感。相比較而言，國產MG系列大部分采煤機的液壓系統缺乏負載敏感保護功能和回路；但有部分國產采煤機制造廠家在20世紀20年代開始將帶負載敏感保護回路的液壓系統慢慢引入其產品中。結構設計方面，7LS系列采煤機帶負載敏感功能的液壓系統主控閥組為數組已系列化并聯片閥，形狀小巧玲瓏，互換性高，如液壓系統需要增加執行器，只需增加一塊片閥即可，相當方便；但片閥殼體內油道精密、復雜，且其中長滑閥對應深孔道及各片閥之間的梭閥密封球窩的加工要求都很高。EKF公司SL系列和國產MG系列采煤機液壓系統中主控閥組閥片較笨重，加工要求較低，且如要增加執行器時整個閥組改動大，相應的互換性較差。

另外，從液壓系統圖12、圖13可以明顯看出，JOY公司7LS系列和EKF公司SL系列采煤機液壓系統的各種保護和過濾功能更加齊全和細致。

6 結 論

本文從采煤機整機核心技術參數出發，分別從關鍵零部件材料及性能、結構布置及大部件連接方式(如搖臂、牽引行走部和行走箱)、機械過載保護和液壓系統等幾個方面對國產MG系列采煤機、美國JOY公司7LS系列采煤機和德國EKF公司SL系列采煤機做了詳細的比較分析研究。分析認為，國產MG系列采煤機無論整機核心技術參數，還是結構布置及材料性能等各方面已幾乎可以和進口采煤機相媲美，甚至有些方面國產MG系列采煤機的設計理念及結構優于進口采煤機，這也是我國煤礦機械近30多年來高速發展的成果。

采煤機的機械系統和液壓系統是自動化及智能化的載體，只有機械系統和液壓系統可靠、穩定的工作才能為今后自動化及智能化發展提供平臺。在可靠性和穩定性方面，進口采煤機依然有許多方面值得借鑒和學習。由于環境保護及能源分配等方面原因，歐洲大部分煤礦已關閉。我國依然是煤炭產銷大國和采煤機使用大國，應該抓住發展機遇，不斷優化發展國產采煤機，為我國煤礦設備智能化發展貢獻力量。