采煤機新型沖擊截齒結構及其控制系統研究

張紅兵

（山西興新安全技術服務有限公司， 山西 太原 030024）

引言

采煤機是煤礦井下煤炭開采所不可或缺的關鍵設備，在工作時通過電液控制系統帶動截割滾筒旋轉，利用截割滾筒上的截齒將煤壁上的煤炭壓裂并剝離，完成井下綜采作業。由于煤壁硬度高，截齒在截割作業時受到較大的載荷沖擊和磨損，因此導致采煤機的實際截割效率較低，而且截齒磨損嚴重，極大地限制了井下綜采作業效率的進一步提升。

因此，本文提出了一種新的采煤機沖擊截齒結構，在滾筒上設置預裂截齒，提前對煤壁進行沖擊預裂，降低煤壁煤層的硬度，從而減少采煤機截割滾筒截齒在接觸煤壁時的沖擊載荷和磨損。本文重點對沖擊截齒的結構組成、液壓系統控制原理等進行分析。

1 沖擊截齒改造方案分析

以MG300/700 型采煤機為改造對象，該采煤機的額定功率為700 kW，工作時的額定截割功率為2×300 kW，額定牽引功率為2×40 kW，為了提高截割滾筒截割作業效率，在滾筒上增加了液壓沖擊截齒和回轉接頭，當截割滾筒工作時，沖擊截齒在液壓系統的控制下先對截齒進行預裂沖擊，然后普通截齒再切入碎裂的煤巖中，降低截割作業時的磨損和載荷沖擊。該沖擊截齒的整體結構如圖1-1 所示，回轉機構的整體結構如圖1-2 所示[1]。

圖1 沖擊截齒及回轉接頭結構示意圖

由圖1 可知，沖擊截齒組件包括液壓缸和沖擊截齒兩個部分，沖擊截齒安裝在截齒座上，截齒座焊接在截割滾筒上，液壓缸的缸體采用了高強度滲碳鋼，從而達到提高耐磨性和耐沖擊性的雙重效果。回轉接頭的作用是為沖擊截齒提供運行高壓油并在截割作業時噴霧，降低粉塵濃度。回轉接頭主要包括了外殼、旋轉軸承等構成，為了提高供液的可靠性，在回轉體上設置了用于高壓液體和降塵水的流道，實現油水的同步流動，提高對沖擊截齒的控制可靠性。沖擊截齒的不同布置位置和數量將直接影響到截割作業的效率和截齒使用壽命，沖擊截齒數量不足無法起到應用的效果，沖擊截齒數量過多將導致同時工作時的沖擊力不足，影響沖擊預裂效果。文章對多種截齒布置方案進行了研究，最終確定在截割滾上設置6 組液壓沖擊截齒，各個截齒分布在不同的斷面上，從而保證截割滾筒旋轉截割時在任何角度都至少有一個沖擊截齒能和煤壁接觸，有效提升截割作業時的截割效率，降低對截齒的磨損，沖擊截齒在截割滾筒上的分布如圖2 所示[2]。

圖2 沖擊截齒分布結構示意圖

2 沖擊截齒液壓系統

沖擊截齒在工作時需要由液壓系統提供動力，確保截齒在沖擊時的沖擊頻率和沖擊力，為了滿足在井下復雜環境下的工作可靠性需求，本文所提出的液壓控制系統采用了封閉式控制和負載敏感控制技術，具有結構緊湊，控制精度高的優點，其整體結構如圖3 所示。

圖3 液壓系統結構示意圖

由圖1 可知，液壓控制系統能夠對所有截齒進行單獨控制，提高供液效率和沖擊破裂效果。在工作的過程中，首先啟動油泵對系統進行補液，壓力傳感器對液壓系統高壓端和低壓端的油液壓力進行監測，避免出現超壓泄漏事故。當沖擊截齒工作時，啟動控制泵，將油液壓入到帶有負載的沖擊截齒的油缸內，驅動沖擊截齒開始工作，一次沖擊后的油液從截齒的回油口流出，然后再進入到柱塞泵內，重新供液，不僅能夠減少油液的流動距離，而且能夠提高油壓，提升控制效果，實現閉式控制供油。

由于截割作業時的負載沖擊嚴重，因此對液壓系統的供液穩定性要求較高，系統內設置進液安全閥[3]，用于限制系統內的最高供油壓力，防止管路及換熱器受高壓沖擊而損壞，在截齒以一定的頻率沖擊煤壁時，利用流量傳感器對流程的油液量進行檢查，然后傳輸到控制系統中，由控制系統根據供液需求調整電機轉速，提高供液效率和可靠性。安全閥設置的主要目的是為了限制沖擊截齒的最高工作壓力，特別是進油安全閥組主要限制系統低壓端的最高工作壓力，當系統壓力超過了設定值以后，進油安全閥組則開啟，使油泵內的液壓油回到油箱，保護換熱器因高壓而損壞。當沖擊截齒在反復沖擊煤壁的過程中，系統對沖擊流量進行監測，然后經過分析處理后，調節泵的輸出流量，精確控制沖擊截齒的工作頻率。

3 沖擊截齒電液控制系統

由于截割滾筒不斷轉動，在不同時間內參加液壓沖擊的截齒不同，因此對沖擊截齒控制系統的控制精確性和穩定性要求極高，該電液控制系統整體結構如圖4 所示[4-6]。在該控制系統中，監測到數據信號后通過8AD 模塊進行模擬量和數字量信號轉換，然后系統自主對數據信號進行對比，獲取控制量，然后經過處理后轉換為電流信號，傳遞給變頻控制器，實現對泵驅動電機轉速的控制。

圖4 電液控制系統結構示意圖

該新型截割滾筒投入應用后，對其應用情況進行對比分析，結果表明優化后的截割滾筒截割作業時的效率提高15%以上，將截齒的使用壽命由3.4 d/個，提升到了4.2 d/個，使用壽命提高了23.5%，顯著地提升了采煤機的截割效率和截割經濟性。

4 結論

1）沖擊截齒組件包括液壓缸和沖擊截齒兩個部分，沖擊截齒安裝在截齒座上，在截割滾上設置6 組液壓沖擊截齒，保證截割滾筒旋轉截割時在任何角度都至少有一個沖擊截齒能和煤壁接觸；

2）液壓控制系統采用了封閉式控制和負載敏感控制技術，具有結構緊湊，控制精度高的優點；

3）新的采煤機截割滾筒能夠將截割作業時的效率提高15%以上，將截齒的使用壽命提高23.5%以上，對提升井下截割經濟性和采煤機運行穩定性具有十分重要的意義。