史春祥

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

隨著近年來(lái)煤礦開(kāi)采技術(shù)與裝備的進(jìn)步，工作面傾角在45°以上的大傾角開(kāi)采和采高在5 m以上的厚煤層開(kāi)采均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與突破[1-5]。現(xiàn)有機(jī)型中能應(yīng)用到45°的大傾角采煤機(jī)，機(jī)身質(zhì)量低于60 t，截割功率不超過(guò)450 kW，總裝機(jī)功率不超過(guò)1 200 kW，其截割能力不足，采高均在4.2 m以下，無(wú)法達(dá)到5 m及以上大采高。而能應(yīng)用于 5 m及以上采高的機(jī)型，機(jī)身質(zhì)量超過(guò)90 t，由于其機(jī)身重、牽重比小、爬坡能力差，一般只能適應(yīng)35°以下工作面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)45°大傾角開(kāi)采。

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)總體參數(shù)的研究分析，對(duì)整機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)、牽引和制動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，解決了厚煤層大功率采煤機(jī)爬坡能力差、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑與冷卻效果不佳、牽引和制動(dòng)可靠性不足等關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出適應(yīng)于急傾斜大采高煤層的采煤機(jī)，以滿足市場(chǎng)的迫切需求。

1 總體參數(shù)確定

確定采煤機(jī)的總體參數(shù)，主要是確定機(jī)身質(zhì)量、截割功率、牽引功率、機(jī)面高度、機(jī)身寬度等參數(shù)。

1.1 機(jī)身質(zhì)量的確定

機(jī)身質(zhì)量與牽引力息息相關(guān)，126 mm節(jié)距銷排承載能力約350 kN，整機(jī)牽引力約700 kN，無(wú)法滿足大功率采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的需求。而147 mm節(jié)距銷排承載能力約500 kN，整機(jī)牽引力約1 000 kN，已在大功率采煤機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。故基于147 mm節(jié)距銷排展開(kāi)研究。采煤機(jī)在大傾角工作面上行時(shí)，與近水平工作面不同，在克服摩擦阻力、截割阻力的同時(shí)，還需克服機(jī)身的下滑力，即自身重力的分力。大傾角工作面的牽引力為：

F=G·sinα+f+R

(1)

式中：F為牽引力，kN；G為重力，kN；α為工作面傾角，(°)；f為摩擦阻力，kN，考慮導(dǎo)向滑靴蹩卡，取摩擦因數(shù)μ=0.4；R為截割阻力，kN。

在煤層傾角達(dá)到45°的情況下，式(1)的前兩項(xiàng)之和達(dá)到0.99G。根據(jù)大傾角采煤機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到克服截割、拖纜等阻力的需要，在此基礎(chǔ)上增加25%的富裕量，則牽引力F≥1.24G。根據(jù)147 mm牽引系統(tǒng)1 000 kN的承載能力，則G≤F/1.24≈810 kN，故機(jī)身質(zhì)量必須限制在81 t以下。

1.2 截割功率的確定

截割功率的大小與滾筒直徑、滾筒轉(zhuǎn)速以及截割扭矩的大小相關(guān)，截割扭矩為：

(2)

式中：T為截割扭矩，N·m；P為單滾筒截割功率，kW；n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

其中，截割扭矩計(jì)算也可為：

T=F1·r

(3)

式中：F1為為滾筒截割切向力，N；r為為滾筒半徑，m。

當(dāng)采高5 m時(shí)，截割滾筒直徑至少為φ2 500 mm。為了保證滾筒裝煤效果，滾筒線速度一般控制在v1=3.5～4 m/s，即滾筒轉(zhuǎn)速n=26.7～30.6 r/min。由于大采高采煤機(jī)截割煤質(zhì)硬度要求為f4以上，根據(jù)截割力要求，滾筒截割切向力F1=130～150 kN。根據(jù)式(2)計(jì)算可得,截割功率P=454～601 kW。

1.3 牽引功率的確定

充分利用147 mm節(jié)距牽引系統(tǒng)承載能力，設(shè)計(jì)整機(jī)牽引力為1 000 kN，則單個(gè)行走輪牽引力為50 kN。為保證行走輪及其軸承的使用壽命，其規(guī)格尺寸不能過(guò)小，故設(shè)計(jì)行走輪齒數(shù)為z=12齒。為了實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)采的需求，采煤機(jī)整機(jī)牽引速度不應(yīng)小于v2=10 m/min。同樣，根據(jù)式(2)和式(3)，可以計(jì)算出單個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)功率P2>100 kW。

至此，整機(jī)質(zhì)量、截割功率、牽引功率范圍基本確定，再根據(jù)配套刮板輸送機(jī)的型號(hào)，可以大致確定機(jī)身寬度。根據(jù)機(jī)身穩(wěn)定性計(jì)算、牽引傳動(dòng)比設(shè)計(jì)及過(guò)煤高度等參數(shù)需求，可以大致確定機(jī)身高度。

2 機(jī)身輕量化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身殼體輕量化設(shè)計(jì)

機(jī)身殼體主要包括搖臂殼體、牽引箱殼體和中間電控箱殼體。

1) 搖臂殼體。由于形狀復(fù)雜且布置有冷卻水套，搖臂殼體采用鑄造加工，采用Cr、Ni、Mo合金鋼鑄造，通過(guò)模擬澆注(圖1)，確保殼體澆注質(zhì)量，避免澆注缺陷。通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，搖臂殼體硬度達(dá)到220～260 HB。通過(guò)有限元應(yīng)力、應(yīng)變仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)，使殼體許用應(yīng)力大于工作應(yīng)力的2倍，見(jiàn)圖2。在確保殼體強(qiáng)度、剛度的前提下，通過(guò)減薄殼體厚度減輕殼體質(zhì)量。

圖1 搖臂殼體模擬澆注圖

圖2 搖臂殼體應(yīng)力云圖

2) 牽引箱殼體。牽引箱殼體采用Q550高強(qiáng)度鋼板焊接而成，其壁厚可比鑄造殼體減小1/4以上，整個(gè)殼體質(zhì)量減輕20%以上。

3) 中間箱體。中間箱體同樣采用Q550高強(qiáng)度鋼板焊接，箱體本身既是結(jié)構(gòu)件，也是防爆殼體，所有電控元件直接安裝在箱體內(nèi)部。由于采用整體式結(jié)構(gòu)，減少了一層電控箱體，所以減輕了中間箱體的總質(zhì)量，同時(shí)也減薄了機(jī)身厚度，增大了過(guò)煤高度。

2.2 大功率、小尺寸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)自身尺寸不僅關(guān)系到自身質(zhì)量，而且影響傳動(dòng)殼體質(zhì)量。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用直齒傳動(dòng)和行星傳動(dòng)結(jié)合的方式，采用18Cr2Ni4WE材料，通過(guò)層深接觸應(yīng)力計(jì)算，對(duì)包括裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命在內(nèi)的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，確定了傳動(dòng)齒輪采取薄壁輪緣的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)采取深層滲碳和磨齒后強(qiáng)化噴丸的工藝措施，軸承全部采用高品質(zhì)軸承。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)以10 000 h進(jìn)行壽命校核，在保證齒輪和軸承壽命的同時(shí)，減小齒輪尺寸，縮減了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸，從而減小了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量。

3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采煤機(jī)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞功率大，故要求傳動(dòng)系統(tǒng)中潤(rùn)滑與冷卻的設(shè)計(jì)更加高效、可靠。

3.1 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用3種潤(rùn)滑方式：

1) 飛濺潤(rùn)滑。依靠浸入齒輪潤(rùn)滑油中的齒輪、軸承在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將潤(rùn)滑油濺灑到位置相對(duì)較高且未直接浸入油液中的齒輪嚙合副、軸承或密封結(jié)合面，形成自動(dòng)潤(rùn)滑。

2) 分腔潤(rùn)滑。將搖臂行星減速器與直齒傳動(dòng)箱之間用密封件隔離開(kāi)，兩腔單獨(dú)潤(rùn)滑。同時(shí)，由于直齒潤(rùn)滑段傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，故也分割成兩段獨(dú)立的潤(rùn)滑油池。

3) 強(qiáng)迫潤(rùn)滑。以搖臂調(diào)高系統(tǒng)回油作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)組件，泵馬達(dá)組件將搖臂低位的齒輪油吸出，通過(guò)管路注入搖臂行星減速器。搖臂擺動(dòng)位置不同，油池相對(duì)低位在不斷變化，以換向閥閥芯重力控制低位吸油。搖臂潤(rùn)滑液壓原理如圖3所示。

圖3 搖臂潤(rùn)滑原理圖

3.2 冷卻設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，若輪齒嚙合與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)，將造成齒輪傳動(dòng)箱溫度偏高，尤其是在高功率密度的傳動(dòng)箱中。通過(guò)分析搖臂在各種工況下的熱源及傳導(dǎo)途徑變化情況，對(duì)殼體水套的循環(huán)冷卻回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)高溫部位的冷卻效果。同時(shí)在傳動(dòng)箱內(nèi)部油池底部、頂部，以及高速級(jí)空腔中增加若干組銅質(zhì)冷卻水管組，以提高導(dǎo)熱效果，在冷卻管外側(cè)焊接一定高度螺旋狀散熱片，增大散熱面積，最大程度地降低油池溫度。冷卻管組結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冷卻管組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 大功率大傾角牽引、制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 大功率大傾角牽引系統(tǒng)

該機(jī)型采煤機(jī)配置了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的大功率四象限變頻調(diào)速裝置，由ABB四象限變頻器與特殊設(shè)計(jì)的能量回饋單元組成，系統(tǒng)具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩控制和高精度動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)置主從控制程序，外部控制信號(hào)只與主變頻器連接，主變頻器通過(guò)光纖串行通信鏈路控制從機(jī)，均勻分配負(fù)載的同時(shí)，保證運(yùn)行穩(wěn)定。配合液壓制動(dòng)器報(bào)閘，設(shè)置相應(yīng)控制參數(shù)及保護(hù)，確?？刂茣r(shí)序準(zhǔn)確，機(jī)電動(dòng)作協(xié)調(diào)一致。

4.2 高可靠性液壓制動(dòng)器

為確保制動(dòng)可靠，設(shè)計(jì)了靜制動(dòng)力矩達(dá)到800 N·m的液壓制動(dòng)器，左右牽引部均設(shè)置于牽引一軸。根據(jù)牽引傳動(dòng)減速比等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到單個(gè)制動(dòng)器提供的制動(dòng)力約為714 kN?？紤]到機(jī)身質(zhì)量為80 t，摩擦因數(shù)μ=0.4，工作面傾角45°，則單個(gè)液壓制動(dòng)器提供的制動(dòng)力在防止整機(jī)下滑時(shí)的安全系數(shù)已達(dá)到1.5以上。同時(shí)，為了防止因內(nèi)外摩擦片間的間隙較小，在松閘時(shí)可能發(fā)生摩擦片之間不能徹底分離，導(dǎo)致摩擦片過(guò)熱燒毀的情況，在摩擦片間增加波形彈簧，確保摩擦片在松閘時(shí)的安全間隙，有效改善發(fā)熱情況，徹底避免了摩擦片的非正常損壞，確保大傾角機(jī)組安全運(yùn)行。

此外，采高自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)、手持式OLED中文實(shí)時(shí)監(jiān)控雙向無(wú)線遙控技術(shù)、油液集中加注等諸多技術(shù)的研究與應(yīng)用，進(jìn)一步滿足了大傾角工作面機(jī)組的操作和維護(hù)需求。

5 MG550/1380-WD型采煤機(jī)的研制參數(shù)

圖5為MG550/1380-WD型機(jī)載式交流電牽引采煤機(jī)的配套斷面圖。該機(jī)型采煤機(jī)成功地解決了大傾角、大采高、大功率、較大機(jī)身質(zhì)量之間的參數(shù)匹配問(wèn)題，其主要技術(shù)參數(shù)為：

圖5 MG550/1380-WD型采煤機(jī)配套圖

6 應(yīng)用實(shí)例

MG550/1380-WD型采煤機(jī)在川煤集團(tuán)華榮能源股份有限公司花山煤礦進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。工作面煤層含夾矸4～8層，夾矸厚度0.9～2.4 m，夾矸平均厚度1.54 m，煤(巖)層總厚4.18～5.37 m，工作面實(shí)際平均采高5.1 m,工作面傾角39°～45°，平均42°，走向傾角8°～25°，工作面長(zhǎng)度121 m。工業(yè)性試驗(yàn)期間，盡管受運(yùn)輸系統(tǒng)限制，在工作面維護(hù)等方面占用了大量生產(chǎn)時(shí)間的情況下，仍然取得了平均日產(chǎn)6 236 t的成績(jī)，創(chuàng)造了西南片區(qū)單個(gè)工作面開(kāi)采的最高記錄。使用過(guò)程中，采煤機(jī)的適應(yīng)性、可靠性經(jīng)受住了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論

急傾斜大采高采煤機(jī)技術(shù)的研究及相應(yīng)機(jī)型的開(kāi)發(fā)，解決了大傾角、大采高、大功率、較大機(jī)身質(zhì)量之間參數(shù)匹配問(wèn)題，具有工作面適應(yīng)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高及低護(hù)方便等特點(diǎn)。該機(jī)型可實(shí)現(xiàn)系列化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，為復(fù)雜地質(zhì)條件下高效、綠色開(kāi)采提供了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備保障，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。