薄煤层滚筒式采煤机发展现状及关键技术.pdf

doi 10. 11799/ ce202007038 收稿日期 2019-09-01 基金项目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目2018ZD003; 天地科技股份有限公司科技创新创 业资金专项重点项目2018-TD-ZD008 作者简介 翟雨生1984, 男, 江苏徐州人, 硕士, 副研究员, 主要研究方向 采煤机的设计及研发, E-mail 15821320260 126. com。 引用格式 翟雨生, 史春祥, 吕 晓, 等.薄煤层滚筒式采煤机发展现状及关键技术 [J].煤炭工程, 2020, 527 182-186. 薄煤层滚筒式采煤机发展现状及关键技术 翟雨生, 史春祥, 吕 晓, 郭 岱 天地科技股份有限公司上海分公司, 上海 200030 摘 要 我国薄煤层资源丰富, 随着厚与中厚煤层资源的不断开采, 薄煤层开采成为必然选 择。 滚筒式采煤机因具有适应性强、 性能稳定等优点, 在薄煤层采煤中应用最为广泛。 介绍了薄煤 层滚筒式采煤机的发展现状, 简要分析了国内外各主要厂家薄及较薄煤层采煤机机型的优缺点, 指 出矮机身大功率成为薄煤层采煤机的主要发展方向。 给出了随着功率的不断加大, 薄煤层采煤机在 开发过程中所面临的关键技术问题, 包括整机布置方式、 高功率密度摇臂设计、 高速高可靠牵引行 走系统研究、 紧凑型电控系统设计、 装煤效果问题及拖缆问题, 并分别给出了解决思路或建议。 关键词 薄煤层; 采煤机; 大功率; 装煤效果 中图分类号 TD421. 6 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202007-0182-05 Development status and key technologies of thin coal seam drum shearer ZHAI Yu-sheng, SHI Chun-xiang, LV Xiao, GUO Dai Shanghai Branch of Tiandi Science and Technology Co. , Ltd. , Shanghai 200030, China Abstract China is rich in thin seam resources. With the continuous mining of thick and medium-thick coal seam resources, thin coal seam mining has become an inevitable choice. Drum shearer is widely used in thin seam mining because of its strong adaptability and stable perance. The development status of thin coal seam drum shearer is introduced. The advantages and disadvantages of thin and thinner coal seam shearers of major manufacturers at home and abroad are briefly analyzed.It is pointed out that low-height and high-power are the main development direction of thin coal seam shearers. With the increasing power, the key technical problems faced by thin seam shearers in the development process are presented, including the layout of the whole shearer, the design of high power density rocking arm, the research of high speed and high reliability traction walking system, the design of compact electronic control system, the design of coal loading effect and the problem of towing cable, and the solutions are given respectively. Keywords thin coal seam; shearer; high power; coal loading effect 我国薄煤层资源丰富, 分布广泛, 其在煤炭资 源总储量中的比重近 20, 但受薄煤层开采特性及 开采装备技术的影响, 过去各大矿区薄煤层开采十 分有限。 然而, 近几年随着中国煤炭行业的高速发 展, 易开采的厚与中厚煤层资源越来越少, 薄煤层 所占的比例越来越高。 为避免资源浪费, 实现资源 均衡开采, 提升矿区资源可采储量、 延长矿区生产 服务年限, 各大矿区均逐步加大了对薄煤层的开采 力度。 薄煤层开采方式一般有炮采、 螺旋钻采煤、 刨 煤机采煤以及滚筒式采煤机采煤[1-3]。 炮采因井下 人员投入多、 煤炭采出率低、 安全隐患多、 耗材高 等缺点已基本被淘汰。 螺旋钻采煤需设钻孔间煤柱 及钻孔组间煤柱, 这样导致煤炭资源浪费, 降低了 采出率, 加上工作总时间的大部分要进行接长和缩 短钻杆, 工作时间利用率低等缺点, 使该采煤方式 281 第52卷第7期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 7 万方数据 ／ 夔 的煤矿越来越少。 刨煤机采煤对煤层地质条件要求 较高, 煤层中不能有较大的断层, 倾角不宜过大, 工作起伏不宜过大, 煤质硬度不宜过硬等等, 因而 极大地限制了其应用范围, 仅有少数煤矿企业在使 用。 滚筒式采煤机采煤因适应性强、 采出率高、 性 能稳定、 吨煤投入少、 管理难度较小等优点, 得到 了多数煤矿企业使用, 是目前应用最广泛的薄煤层 采煤方式。 因此, 本文重点介绍薄煤层滚筒式采煤 机的发展现状及关键技术。 1 发展现状 与厚与中厚煤层相比, 薄煤层机械化开采存在 着一些问题 ①空间狭小, 工作条件差, 设备安装 维护困难; ②煤层厚度变化、 断层等地质构造对薄 煤层设备生产性能影响大; ③投入产出比高, 经济 效益不如厚与中厚煤层; ④薄煤层采煤机受结构尺 寸限制, 设计难度大等。 诸多原因造成一段时间内 薄煤层采煤机技术发展速度相对缓慢。 近年来, 随着各煤矿企业不断加大对薄煤层的开 采力度, 市场对薄煤层采煤机的需求逐渐增加, 要求 也越来越高。 因而国内外各采煤机生产厂家均加强了 对薄煤层采煤机的研发力度, 相继推出了各种型号的 大功率薄及较薄煤层采煤机, 主要有 天地科技上海 分公司的 MG2200/890-WD 系列采煤机、 西安煤机 厂的 MG2200/925-AWD 型采煤机、 原鸡西煤机厂的 MG400/951-WD 型采煤机、 原美国 JOY 公司的 7LS0 型采煤机以及波兰 KOPEX 公司的 “黑龙系统” 如 图 1 所示等[4-6], 主要技术参数见表 1。 表 1 大功率薄及较薄煤层采煤机参数 生产厂家系列机型机面高度/ mm采高范围/ m装机功率/ kW截割功率/ kW牵引功率/ kW 牵引速度/ mmin -1 天地上海8908751. 32. 7890222002409/15 西安煤机9259511. 42. 49252220025511. 3/18. 7 鸡西煤机9518271. 31. 895124002708. 5/12 JOY7LS08901. 31. 8803233626016. 4 KOPEX“黑龙”8501. 11. 764050026011/27 图 1 波兰 KOPEX 公司的 “黑龙系统” 上述采煤机中, 天地上海分公司的 890 采煤机 及西安煤机厂的 925 采煤机均采用正常机身布置双 电机联合驱动截割部的结构形式, 该结构形式因其 运行稳定、 适应性强等优点, 已成为国内大功率薄 煤层采煤机的标准设计结构。 原鸡西煤机厂的 951 采煤机及 JOY 的 7LS0 采煤机采用的是由爬底板采煤 机演变而来的悬机身布置结构形式, 该结构形式将 截割电机、 机身等主要部件布置在煤壁侧, 达到降 低机面高度、 增大过煤空间的目的, 但由于其整机 重心过于偏向煤壁侧, 导致其运行稳定性相对较差, 对地质条件要求也较高, 大大限制了其使用范围, 其中鸡西的 951 采煤机虽然得到了少数应用, 但并 未获大范围推广, 而 JOY 的 7LS0 采煤机到目前为止 仍没有应用案例。 KOPEX 的 “黑龙系统” 是滚筒采 煤机和刨煤机结合的产物, 采用链牵引方式, 一个 截割电机驱动左右两个滚筒, 采高仅能靠支撑油缸 微调, 该结构形式的优点是机身短, 适应工作面起 伏能力强, 且可端部直接进刀, 但缺点是采用链牵 引, 可靠性较齿轨式低, 采高范围调整幅度小, 其 仅适应工作面倾角不大, 采高稳定的特定煤层开采。 该系统在波兰已有应用案例, 近期国内某煤炭公司 订购了一套, 使用效果有待验证。 虽然各厂家采用的结构布置方式不尽相同, 但 从表 1 中不难看出, 采煤机的总装机功率基本都达 到了 800900kW, 较之前 400500kW 有了大幅度 的提升。 究其原因主要有两点 一是薄煤层地质条 件复杂, 加大功率有利于提高采煤机的过断层能力, 减少采煤机的故障率, 减轻煤矿工人的劳动强度; 二是薄煤层由于采高低, 想产生效益必须实现高产 高效开采, 而加大采煤机功率是最有效的途径之一。 因此, 为了实现薄煤层的高产高效开采, 加大采煤 机功率是必然之势。 此外, 表 1 中所述大功率薄煤 层采煤机的最低采高都在 1. 3m 左右, 接近薄煤层定 义的上限, 因此在加大功率的同时, 需要进一步降 低采煤机机面高度, 实现更低煤层的开采。 综合来 381 2020 年第 7 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 看, 发展矮机身大功率薄煤层采煤机成为了未来薄 煤层采煤机的主要发展方向。 鉴于此, 天地科技上海分公司于近两年率先研 发推出了两款更大功率的薄及较薄煤层采煤机, 分 别为 MG450/1050-WD 型如图 2 所示 和 MG2 250/1200-WD 型采煤机, 已分别在伊泰集团和济宁 能源得到应用, 效果良好。 两款采煤机主要技术参 数见表 2。 表 2 新型大功率薄煤层采煤机参数 生产厂家系列机型机面高度/ mm采高范围/ m装机功率/ kW截割功率/ kW牵引功率/ kW 牵引速度/ mmin -1 天地上海10507391. 11. 71050245026514. 5/29 天地上海12008901. 32. 812002225029020/40 图 2 MG450/1050-WD 型采煤机 2 关键技术 随着薄煤层采煤机的功率不断加大, 机面高度 不但不能增加反而还要越矮越好, 导致整机功率密 度越来越高, 由此带来一系列关键技术问题亟待 解决。 2. 1 整机布置方式 寻求合理的整机布置方式, 解决装机功率、 机 面高度与过煤空间之间的矛盾, 是发展矮机身大功 率薄煤层采煤机面临的首要问题[7]。 由于正常机身 布置双电机联合驱动截割部的整机布置方式的优越 性, 其仍是今后相当一段时间内大功率薄煤层采煤 机主要采用的结构形式, 但结构创新也是非常必要 的, 在特定的地质条件下, 采用特殊的整机布置结 构形式会得到更好的效果。 如天地科技上海分公司 提出的半悬机身布置结构, 并开发了 MG200/446- WD1 型[8]和 MG450/1050-WD 型两款薄煤层采煤 机, 使用效果良好。 波兰 KOPEX 公司提出的 “黑 龙系统”, 虽然其适应性和使用效果有待验证, 但确 是一种很好的结构创新尝试。 2. 2 高功率密度摇臂 目前, 大功率薄煤层采煤机单摇臂的截割功率 已经达到 400kW 以上, 而整个摇臂的厚度和体积又 受限于整机机面高度不能加大, 同时摇臂又是采煤 机中受力最直接最恶劣的部件, 因此高功率密度摇 臂的设计成了关键技术难点之一。 1 电机技术。 双电机联合驱动和悬截割电机等 结构形式, 虽然可在一定程度上减弱对电机尺寸的 要求, 但随着截割功率的不断加大, 电机的尺寸已 成为制约摇臂厚度的关键所在, 因此必须开发体积 小、 功率大的薄煤层采煤机采用隔爆电机。 对于采 煤机厂家来说, 电机基本都属于外购件, 他们本身 并没有开发电机的技术, 这就需要采煤机厂家积极 与国内外专业的电机厂家合作, 采用新技术、 新手 段, 共同开发所需的小体积、 大功率电机。 2 高强度壳体研制。 薄煤层采煤机受空间限 制, 摇臂壳体要求尽量减薄设计。 与中厚煤层采煤 机相比, 大功率薄煤层采煤机对壳体的强度要求更 高。 对高强度壳体的研制, 各采煤机厂家都已进行 了大量的研究工作, 也取得了不错的效果, 摇臂壳 体较之前具有更好的综合力学性能, 即较高的抗拉 强度、 屈服强度、 塑性、 硬度和冲击韧性等[9,10], 但与国外还是有差距, 后续应从材料成分、 铸造技 术、 热处理工艺等方面着手, 进一步提高壳体性能 及质量稳定性。 3 行星机构设计。 行星机构是采煤机摇臂的关 键组成部分, 一般位于摇臂传动系统末端, 传递功 率大, 受的载荷复杂, 极易发生故障, 其性能优劣 决定采煤机的性能。 对于薄煤层采煤机摇臂, 也有 将行星机构前置的布置方式, 这样行星机构受的载 荷相对变小, 直径也没有那么严格的限制, 但这种 结构的适应性有限。 因而对于大功率薄煤层采煤机, 仍多数选用行星机构置于摇臂传动系统末端的结构, 这就要求行星机构既要具有高的可靠性, 直径又要 尽量的小。 为了实现这一目标, 在行星机构的设计 过程中, 需充分利用现代的优化设计方法, 建立行 481 装备技术 煤 炭 工 程 2020 年第 7 期 万方数据 星机构的数学模型, 寻求最优的参数配置和结构设 计, 达到紧凑型大功率高可靠行星机构设计的目标。 4 传动系统温升控制。 对于高功率密度齿轮传 动系统, 温升控制尤为重要, 否则将引起润滑油失 效等问题的发生, 进而影响齿轮传动效果, 导致轮 齿磨损加剧、 发生胶合等。 针对传动系统温升控制 问题, 可从两个方面进行研究 一是结构设计优化, 比如齿轮修形[11]、 有限空间内合理增大摇臂壳体内 腔体积、 严格控制摇臂各轴系尺寸链及增加轴承高 效润滑系统等; 另一个是冷却系统布置优化, 采用 温度场分析找出高温部位, 然后有针对性的布置冷 却循环水路和冷却器等。 2. 3 高速高可靠牵引行走系统 对于大功率薄煤层采煤机, 过断层不可避免, 同时为了获得高的效益, 还必须长时间高速运行, 因此对采煤机牵引行走系统提出了更高的要求。 2. 3. 1 行走轮 行走轮在采煤机工作过程中主要起牵引、 传动 的作用, 是采煤机牵引行走系统极其重要的零件。 对于薄煤层高效开采工作面, 采煤机长期运行在高 速重载工况下, 行走轮极易发生齿根断裂、 齿面剥 落磨损等问题, 行走轮已成为影响采煤机工作可靠 性的最薄弱环节之一, 因此提高行走轮的使用寿命 对于提高大功率薄煤层采煤机的可靠性具有十分重 要的意义。 为提高行走轮的整体强度, 加大模数是最有效 的方法, 但由于薄煤层采煤机尺寸限制, 模数能加 大的空间有限, 应从下面两方面进行深入研究 ① 研究行走轮材料、 热处理工艺、 表面强化技术等, 提高行走轮的强度和耐磨性; ②研究行走轮与销齿 啮合的运动学与动力学状况, 建立采煤机牵引机构 参数化模型, 得到性能最佳的行走轮齿形曲线, 降 低牵引过程中的冲击负荷, 满足高速重载牵引的 需要。 2. 3. 2 导向滑靴 导向滑靴在采煤机工作过程中起着承载、 导向 的作用, 是采煤机牵引行走系统的重要组成部分。 在高速重载牵引工况下, 导向滑靴很容易出现断裂 和磨损失效, 同时薄煤层空间狭小, 拆装和更换非 常困难, 因此提高导向滑靴的强度和耐磨性非常必 要。 通过理论和有限元软件对导向滑靴进行受力分 析, 在有限的空间内对其结构进行优化设计, 是提 高导向滑靴强度的有效途径之一。 此外, 需对各种 耐磨材料和提高材料耐磨性的方法等进行深入研究, 以提高导向滑靴的耐磨性。 2. 4 紧凑型电控系统 受薄煤层采煤机机面高度、 过煤空间及整机适 应性等因素的影响, 薄煤层采煤机电控系统设计尤 其是其整体外形尺寸会受到严格的限定。 对于大功 率薄煤层采煤机, 又要求整机功率、 截割功率、 牵 引功率、 牵引速度等在以前的基础上有大幅度的提 升, 这就对电控系统开发提出了更加严峻的挑战。 因此, 需要在深入研究电控系统原理的基础上, 进 行更加科学合理的软、 硬件开发, 同时通过优化关 键元器件选型、 优化总体结构与布局、 电控系统抗 振性能和防水性能设计等, 提升电控系统可靠性, 并保证电控系统在薄煤层开采条件下的可维护性。 2. 5 装煤效果问题 薄煤层采煤机装煤效果差是普遍存在的问题, 也是制约薄煤层高效开采的主要障碍之一。 解决此 问题可以从优化滚筒本身设计、 采煤机各工作参数 的合理匹配及采煤机结构的合理布置等方面考虑, 比如运用理论分析与离散元数值模拟的方法, 分析 牵引速度、 滚筒转速、 叶片螺旋升角等对采煤机装 煤性 能 的 影 响 规 律 及 显 著 程 度, 找 出 最 优 取 值[12,13]。 采用特殊的摇臂结构形式、 增加合理的辅 助装煤装置等也是解决此问题的有效途径。 2. 6 拖缆问题 由于薄煤层采煤机机面高度矮, 电缆槽深度有 限, 采用传统的圆电缆及配套电缆夹, 其折弯半径 过大, 导致采煤机在运行过程中, 电缆夹与支架顶 梁干涉, 往往需要人工干预处理, 严重制约了采煤 效率, 对于大功率薄煤层采煤机, 电缆直径更大, 该问题尤为突出。 开发自动拖缆系统是解决此问题 的有效途径之一, 波兰的 “黑龙系统” 就配备了自 动拖缆系统, 国内也有厂家正在研究和试验自动拖 缆系统。 改用折弯半径较小的扁电缆及其专用的电 缆夹板也可以一定程度上解决此问题, 天地科技上 海分公司已在其薄煤层采煤机上应用, 效果良好。 3 结 语 对于薄煤层工作面, 为了降低采高、 提高采煤 581 2020 年第 7 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 机过断层能力和开采效率, 矮机身大功率成了主要 发展方向, 而随着功率不断加大, 急需解决一些关 键技术问题, 本文对其进行了简要介绍, 并分别给 出了解决思路或建议, 可为大功率薄煤层采煤机的 设计提供参考。 文中所列并没有涵盖所有需要解决 的关键技术问题, 且随着时间的推移和技术的进步, 一定还会遇到新的问题及新的解决方案。 此外, 自 动化和智能化也是今后薄煤层采煤机的必然发展方 向, 同样有许多关键技术问题亟待解决, 也必须投 入大量的时间和精力去研究。 参考文献 [1] 王国法, 庞义辉. 综采成套技术与装备集成配套设计创新与 实践 [J]. 煤炭工程, 2018, 505 1-5, 9. 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