冲击式采煤机的研究与试验.pdf

煤矿机电 2 0 0 0 年第 3 期 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 0 0 3 0 0 0 4 0 3 冲击式采煤机 的研究与试验 ／ 田取珍 ，曹惠斌 ，郭生龙 、 ’- ．，-． ． _ - _。 一 _●，_ _-．．-． ．-__一 1 太原理工大学矿业工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ． 太原重型机器厂， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ； 3 太原矿山机器厂， 山西 太原 0 3 0 0 0 9 摘要 根据采媒X - 作面媒体的力学特征和强度特性， 分析 了滚筒铣削破煤机理， 介绍了冲击碗 煤 的厚理和冲击武采煤机的结均 ． 并对坤击式采煤机 的试验情况进行 了分析。 荤 矗塑T D 4 2 1 6 ； 中 4_I 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 A 【 妒 』 l 引言 煤矿井工开采中，使用最多的采煤机械是滚筒 式采煤机，存在的主要问题是采煤过程中产尘率 高，污染了井下工作环境 ，影响安全生产和危害工 人的身体健康；同时割煤过程中煤炭的过度破碎使 煤炭的 自身价值降低 ，影响矿井的经济效益；而且 由于煤炭的过度破碎造成 比能耗显著增加。针对上 述三大技术问题 ，国内外的许多研究工作者进行了 大量的研究和试验性工作 ，如通过改变截齿的排列 方式和截距来设法降低 比能耗 ，通过改变截齿的形 状和采用大截齿来提高块煤率 ，通过采用慢转速大 功率滚筒来降低产尘率等。实质上，由于滚筒的旋 转铣削、剪切破煤的机理未加改变 ，上述努力虽取 得了一定的效果 ， 但问题仍未能得到根本的解决 笔者通过对破煤机理的研究发现 ， 在具体采煤 工作面条件下 ，根据煤壁的受力特点和力学特征 ， 充分利用煤岩抗拉强度最弱这一力学特性 ，采用平 行工作面煤壁的刀具对煤体进行冲劈， 使刀具接触 并冲人煤体后在煤体中产生冲劈拉应力，使煤体开 裂下落， 完全可以在采煤工作面达到采煤的目的。 2 冲劈原理与冲击式采煤机 1 冲击破煤原理 采煤工作面煤壁有两个 自由面 ，一为工作面煤 壁本身， 二为切割处的切口。这两个自由面的存在 为冲击劈落煤体提供了前提条件。图 l 所示为冲击 破煤的力学模型。 b 圈 I冲击破煤力学模型 1 一堞壁 自由面 ； 2 一切口趾 自由面 ； 3 一冲击刀具 一 堞体破断角； 一刀具刃角； 一冲击速度 j／ 一 维普资讯 2 0 0 0 年第 3 期 煤矿机电 冲击 刀 具 冲 劈 煤 体 时， 在刀具冲人处， 自 里向 外 依次形成 挤压 破坏 区 ， 塑 性 变形 区和 弹性 变形 区。刀具冲人煤体的瞬间， 在煤体 中形成 了冲人压应 力 ，和由刃角 产生 的 劈拉应力 乱 ，在这两个应 力的作 用于下 ，刀具冲人 煤体并使煤体开裂 ，沿着 破断角 n的迹线将煤劈落 下来。 在采煤工作面 ，现行 的采煤工艺要求采煤机的 截深 ， 采高应与移架 、 推溜 的步距相适应 在 充分研 究了冲劈厚度与冲击力等 参数的基础上 ，我 们采用 n r ] 丑 一兰 自 置 H 一 l X I 嘎 【 Ⅷ 1 Ⅶ Ⅵ l Y 由一 _ 1 ＼ l1 F 一 一 ＼ Ⅳ I Ⅱ 一 {z 一 ＼ _厶 I H 矗 Il I五 了两排纵 向排列刀具的冲击刀架 、每个刀架冲劈厚 度为 3 0 0 -3 5 0 mm、两排刀架 的整个冲劈厚度 截 深 为 6 0 0 ～7 0 0 ram 的冲击破煤方式 ，如图 2所 示 从而满足了生产工艺的要求。 圈 2 采煤工作面 冲击破煤方式 1 煤壁自由面； 2 一 切口处自由面； 3 一外侧刀架； 4 内侧刀架 ； 5 一刀齿 ； 6 一新煤 壁自由面 两刀架的冲劈顺序是依次轮番冲击，即外侧刀 架 3 先行冲击 ， 在 回程的过程中 ， 内侧刀架 4再冲向 煤体。这就使得两刀架的冲劈厚度相一致 ，而外侧 刀架 3 先行冲劈后为内侧刀架 4 提供了自由面。 2 冲击式采煤机的结 构 冲击传动机构安装在采煤机摇 臂的前端原滚 筒的位置，摇臂的调高 系统可使冲击刀架随采高变 化而调整高度。冲击所需能量来自于冲击传动系统 的运动惯量和冲击储能机构所储存的能量 。 圈 3 T CI 型冲击式采煤机传动系统简圈 1 机壬齿轮葙； 2 ～摇臂齿轮箱； 3 储能 E 轮； 4 托架 ； 5 冲击部齿轮箱 ； 6 安全保护 系统 第一台冲击式采煤机样机是在 AM 一5 0 0型滚 筒式采煤机的基础上经过重新设计摇臂和冲击机构 而实现的。它利用了原采煤机的牵引部 、 电机部 、 液 压箱和机身， 其机构传动系统如图 3 TCI 型冲击式采煤机传动系统 由 A M 一5 0 0 型采煤机的机头齿轮箱 、摇臂齿轮箱和冲击部齿轮 箱等几大部件组成。 机头齿轮箱 1 中的齿轮 z 为双 联齿轮， 可在Ⅱ 轴上滑动， 并与齿轮 己或 r厶啮合， 以获得不同的速 比。位于 Ⅲ、 Ⅳ轴上的齿轮 厶 与 z 为一对可更换的齿轮 ， 通过变换它们的齿数， 亦可获 得不同的传动比 摇臂齿轮箱 2内的 _厶、 z z Z Z 和 z ， 齿 轮均为惰轮， 在Ⅷ轴上安装一对储能飞轮 ， 用于增加 传动系统的转动惯量 ，达到储能和冲击采煤时释放 能量的 目的。 冲击部齿轮箱 5 是在与摇臂齿轮箱 2 输 出端联 接的托架 4 内设置一级齿轮传动 、和 z 齿轮 z ． 的动力经过其右端的安全保护装置 6 传动冲击 部齿轮箱内的齿轮 z 通过 z 与z 齿轮的啮合， 使 冲击机构获得主电机的原动力。 TCl 型冲击式采煤机的冲击机构由箱体 7 、 长刀架 6 、 短刀架 9、 长连杆 4 、 短连杆 8 、 偏心轴 2和 3 以及上下导向座 1 0 和 l l 等组成， 如图 4 所示。 冲 击传动箱体 7内设置一级齿轮传动 z s 和 z 齿轮 z ． 驱动大轴 1 转动， 在大轴 l 的两侧设置偏心轴 2 和 3 ， 每个偏心轴上分别设置两根连杆驱动长、 短刀 维普资讯 煤矿机电 2 0 0 0 年第 3 期 架内的小滑块 5 作往复直线运动 ， 小滑块 5推动长 、 短刀架 6和 9 在上下导向座 l 0和 1 J 之间亦作往复 直线运动， 在运动过程中完成冲击采煤 偏心轴 2 、 3 互为 1 8 0 ， 在大轴 l旋转 l 周的过程中． 偏心轴 2 、 3 分别驱动各 自的连杆 4和 8 完成 1 次冲击动作 ，但 往相位上 相差 l 8 0 。 。 图 4 冲击机构传动 系统简图 1 一大轴 2 3 偏 tb 轴 ； 4 长连秆 5一小滑块； 6长刁架 7 一箱体； 8 一 短莲杆； 9 一短刀架； l l J 一 上导向座； 1 1 一F 导向座 冲击式采煤 完全不 同于滚筒式采 煤的铣 削切 割，在破煤机理上前者属于劈裂拉伸破碎煤体， 而 后者则属于挤压剪切破碎煤体 ，因此，在破碎的能 量消耗上后者远大于前者 冲击式采煤机采煤 ，为了解决摇臂调高时冲击 机构上扬 向顶板方 向冲击 和调低时下扎 向底板 方向冲击 的问题 ，设计中采用了冲击传动箱托架 与机头齿轮箱之间设置平衡连杆的机构 ，使平衡连 杆与摇臂组成平行四连杆机构，保证 了摇臂在升降 过程中冲击运动机构 的冲击方向始终与采煤机的 运行方向保持平行， 解决了冲击式采煤机运行过程 中的稳定性问题 图 5 为 TCI型冲击式采煤机组 装后运转的情况。 图 5 T CI 型冲击式采煤机 3 冲击式采煤机的试验情况 冲击式采煤机组装完成后，在地面进行了运行 试验，而后在井下进行了采煤试验 。井下试验工作 面选择在晋城矿务局凤凰山矿 2 3 1 9下分层综采工 作面 该工作 面采高为 1 ． 3～3 ． 3 m，平均采高为 2 ． 8 m，工作面长 1 3 0 m，煤层倾角 4 ～9 。 ，煤体硬度 3 ， 顶板为金属网假顶， 底板为 0 ． 8 9 m厚的泥岩 ， 老 底为 2 7 4 m厚 的细砂 岩 。工作 面配 套设 备为 Z Y一3 5型支撑掩护式液压支架和 S GB 7 6 4 ／3 2 0 型可弯曲刮板输送机 从冲击式采煤机的空载运行试验和井下工业性 试验来看 ，冲击式采煤机的冲击工作机构完全能够 适应综采生产工艺的要求 ，其主要技术性能参数如 截深、 采高 、 牵引速度等均能够满足设计要求 ， 生产 能力等于或大于同类型滚筒式采煤机。 通过井下试验测定 ， 采用 冲击式采煤方法 ， 采煤 工作面在不采用喷雾降尘措施 的情况下 ，冲击式采 煤机的产尘率比滚筒式采煤机使用喷雾的情况下降 低 8 5 ％以上， 属于一项井下清洁生产技术 采煤工 作面的块煤率 可达到 8 3 ％，比滚筒式采煤机提高 3 0 ％以上 。，采煤机的截割功率和牵引力均 比滚筒 式采煤机大幅度降低 ，具有显著的节能效果 试验 达到了预期的 目的。 TC I型冲击式采煤机试验 中存在 的主要问 题有； 空载运行时噪声较大 ； 采底刀冲劈下的块煤不 能及时装人输送机 ， 装煤效果较差 ； 导 向摩擦发热及 润滑不到位；安全保护系统可靠性较差。这些问题 目前正在研究解决 参考文献 【 I 1 徐小荷 ， 余静岩石破碎学北京 煤炭工业出版杜 I 9 8 4 【 2 】 田取珍等冲击式采煤的研究煤炭学报 ． 1 9 9 8 ， 2 3 6 【 3 ]田取珍 ， 刘混举冲击式 采煤破煤机理 的研究太原理 工大学学报 ， 1 9 9 8 2 9 2 【 4 】杜三虎， 田取珍 ． 冲击破煤机理的初步探讨西安矿此 学 院学报 ． 1 9 9 8 ， 1 8 2 [ 5 】 岳龙旺 ． 田取珍煤体 冲击破碎中应力波传递规 律的研 究太原理 工大学学报 ， 1 9 9 9 ， 3 0 3 作者简介 田取珍教授。 1 9 7 8年坚业于 山西矿业学皖． 长 从事采矿工翟的教 学- 9科研 工作、 发表论 x 3 O奈篇、 鳊写 专著教材 8部，主持完成 国家 自然科学基盘项 目、 部 重．氧项 目和横 向课题 多项。 收稿 日期 2 1 w 10 0 3 0 I 维普资讯