大功率薄煤層交流電牽引采煤機(jī)的研制

車萬(wàn)里，許秀芳，趙 勇

(西安煤礦機(jī)械有限公司研發(fā)中心，陜西 西安 710032)

0 前言

煤炭作為我國(guó)基礎(chǔ)能源和重要的生產(chǎn)原料，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位。在我國(guó)的煤礦中，薄煤層的儲(chǔ)量占煤炭可采儲(chǔ)量的比例較大，在已探明的礦區(qū)中，國(guó)有煤礦薄煤層儲(chǔ)量比重就占20%左右，地方煤礦薄煤層儲(chǔ)量比重更大，如:薄煤層儲(chǔ)量山東省占41%，四川省占54.8%，貴州省占46%，陽(yáng)泉、平頂山、徐州、開灤、鐵法、七臺(tái)河等大礦務(wù)局都占有較大的比例。由于在開采技術(shù)上薄煤層屬于較難開采煤層，機(jī)械化水平一直很低、開采產(chǎn)量較小，除特殊短缺煤種外，大部分薄煤層被暫時(shí)放棄，薄煤層開采一直成為困擾我國(guó)煤炭行業(yè)的難題。薄煤層礦井尤其需要高電壓、大功率、高可靠性的采煤機(jī)設(shè)備。

但是長(zhǎng)期以來(lái)同類型的大功率薄煤層交流電牽引采煤機(jī)在我國(guó)仍然是空白，需從西方發(fā)達(dá)國(guó)家以大量的外匯進(jìn)口，來(lái)滿足薄煤層煤礦的生產(chǎn)需求。因此大功率薄煤層采煤機(jī)的研制，對(duì)于提高我國(guó)煤炭生產(chǎn)效率，提高煤礦生產(chǎn)安全，提升我國(guó)煤炭采掘設(shè)備裝備水平有著重要的意義。

1 大功率薄煤層采煤機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案

以提高薄煤層開采生產(chǎn)能力、自動(dòng)化水平和工作面采煤機(jī)裝備可靠性為研究方向，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)薄煤層安全高效開采為目標(biāo)，采用機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)與采煤工藝技術(shù)相結(jié)合，在消化吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自主創(chuàng)新，研發(fā)一次采全高的大功率薄層采煤機(jī)。

通過(guò)充分調(diào)研分析，本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外薄煤層采煤機(jī)械存在的問(wèn)題，對(duì)大功率薄煤層交流電牽引采煤機(jī)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行總體規(guī)劃和技術(shù)攻關(guān)。如:

(1)總體結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì);

(2)大功率、小體積、高強(qiáng)度截割搖臂的研究;

(3)薄煤層滾筒的裝煤?jiǎn)栴};

(4)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的“一拖一”電氣系統(tǒng)的研究;

(5)采煤機(jī)智能化在線監(jiān)測(cè)和故障自診斷技術(shù)的研究;

(6)采煤機(jī)記憶截割及采高數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程修正的研究;

(7)可根據(jù)運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載變化調(diào)整采煤機(jī)行走速度的技術(shù)研究。

2 薄煤層采煤機(jī)主要機(jī)械部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 牽引部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大功率薄煤層采煤機(jī)，其單個(gè)滾筒截割功率為2×200 kW，單臺(tái)牽引電機(jī)功率不小于40 kW，要求采煤機(jī)機(jī)面高度要低，過(guò)煤空間要大。另外，該型采煤機(jī)為無(wú)底托架結(jié)構(gòu)，要適應(yīng)過(guò)斷層需要，采煤機(jī)采用四根液壓拉杠將各個(gè)部件聯(lián)接為一剛性整體。如何保證牽引部機(jī)殼強(qiáng)度及液壓拉杠支撐點(diǎn)結(jié)構(gòu)是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)與國(guó)外各種同類型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)分析比較，決定采用以下技術(shù)措施:

(1)牽引部機(jī)械傳動(dòng)采用雙級(jí)四行星輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照40 kW功率對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸承強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，盡量減小行星機(jī)構(gòu)外徑尺寸。

(2)牽引部機(jī)殼采用鑄焊結(jié)合，對(duì)安裝液壓拉杠部位表面進(jìn)行硬化處理，以提高抗壓強(qiáng)度。

(3)液壓拉杠支撐點(diǎn)盡可能為矩形，矩形面積盡可能大。液壓拉杠為圓柱形，便于加工制造，減少應(yīng)力集中。經(jīng)過(guò)受力分析和計(jì)算，四條液壓拉杠應(yīng)力不超過(guò)材料的彈性極限。

2.2 搖臂設(shè)計(jì)

由于薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，薄煤層采煤機(jī)的搖臂必須是大功率、高強(qiáng)度。即要求搖臂截割電動(dòng)機(jī)功率大，有足夠的扭矩;搖臂殼體有足夠的強(qiáng)度，為提高搖臂強(qiáng)度，除在結(jié)構(gòu)上提高強(qiáng)度外，可采用合金鑄鋼增加搖臂殼體強(qiáng)度;內(nèi)部傳動(dòng)部分要有足夠的強(qiáng)度把扭矩傳遞過(guò)去。

搖臂設(shè)計(jì)需解決的關(guān)鍵技術(shù):

(1)解決大功率小尺寸行星減速器的設(shè)計(jì)。搖臂上截割電動(dòng)機(jī)的功率2×200 kW，小尺寸搖臂行星減速器的設(shè)計(jì)是成功與否的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，精確的齒輪、軸承強(qiáng)度和壽命計(jì)算，采用雙級(jí)四行星輪新結(jié)構(gòu)，解決了大功率小尺寸的矛盾問(wèn)題。

(2)解決搖臂箱體油溫過(guò)高的問(wèn)題。搖臂功率大，箱體散熱面積小，僅依靠搖臂殼體水道水冷不足以解決搖臂殼體油溫過(guò)高的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，采取搖臂內(nèi)腔設(shè)置水冷卻器的技術(shù)措施，采用長(zhǎng)鋼管，按搖臂可利用內(nèi)腔形狀制成管式水冷卻器，進(jìn)、出水口與搖臂水道聯(lián)接，同時(shí)在搖臂行星頭腔內(nèi)設(shè)置一管式冷卻器。通過(guò)此措施，成功解決了搖臂箱體油溫過(guò)高的問(wèn)題(實(shí)際熱平衡溫度低至70℃左右)。

(3)搖臂行星頭滑動(dòng)密封圈漏油。搖臂行星頭滑動(dòng)密封圈漏油是目前所有采煤機(jī)的一個(gè)頑疾，也是造成潤(rùn)滑不良，行星頭傳動(dòng)元件損壞，以至于采煤機(jī)不能正常使用的大問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，本搖臂采用行星架兩端各用一個(gè)圓錐滾子軸承支撐的新型結(jié)構(gòu)。因此要求機(jī)殼加工精度要高，同時(shí)軸承組合的軸向游隙需要安裝時(shí)調(diào)整。事實(shí)證明，采用圓錐滾子軸承大大改善了滑動(dòng)密封圈漏油狀況。

(4)薄煤層采煤機(jī)雙截割電機(jī)搖臂。主要解決既增加采煤機(jī)截割功率又保持高生產(chǎn)效率等技術(shù)問(wèn)題，在搖臂上固定設(shè)置有兩臺(tái)電機(jī)，分別設(shè)置有傳動(dòng)齒輪。

2.3 滾筒設(shè)計(jì)

由于薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，開采薄煤層經(jīng)常遇到截割?yuàn)A矸和破頂、底板等情況，甚至截割全巖，因此，要針對(duì)不同使用條件設(shè)計(jì)不同的滾筒。對(duì)需要過(guò)較大斷層的采煤工作面必須使用高強(qiáng)度破巖滾筒。

(1)選用破巖截齒、齒座;

(2)增加葉片厚度，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊接強(qiáng)度;

(3)增加耐磨板高度，以提高裝煤效果;

(4)堆焊耐磨層，以提高滾筒耐磨性;

(5)設(shè)計(jì)時(shí)增加滾筒重量，以提高滾筒慣性力，減小滾筒的震動(dòng)。

3 薄煤層采煤機(jī)電氣系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)關(guān)鍵

3.1 “一拖一”，主、從控制應(yīng)用

(1)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”方式。即一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)牽引電機(jī)，一臺(tái)采煤機(jī)由兩臺(tái)變頻器分別控制兩臺(tái)牽引電機(jī)，兩臺(tái)牽引電機(jī)通過(guò)負(fù)載平衡牽引采煤機(jī)。主變頻器既有速度控制又有轉(zhuǎn)矩控制，從變頻器只有轉(zhuǎn)矩控制。主、從同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)共同負(fù)載，完全保證了其負(fù)荷的平衡分配。當(dāng)一臺(tái)變頻器或者一臺(tái)牽引電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，能方便地進(jìn)入單牽引狀態(tài)。

圖1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of AC VFC system

(2)采煤機(jī)順槽顯示和故障自診斷檢測(cè)的研究。受回采空間的限制，薄煤層工作面操作和維護(hù)采煤機(jī)非常困難，采煤機(jī)必須具備順槽顯示功能:通過(guò)順槽顯示箱可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)距離操控;故障自診斷檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)記錄、檢測(cè)電機(jī)、變頻器、減速箱等的工作參數(shù)，及時(shí)提示故障部位及類型，以便于維護(hù)人員集中進(jìn)行處理，減少影響生產(chǎn)的時(shí)間。

(3)采煤機(jī)記憶截割及采高數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程修正的研究。由司機(jī)操縱采煤機(jī)沿工作面煤層高低起伏條件先割一刀，控制系統(tǒng)將行程位置等信息存入計(jì)算機(jī)，以后的截割高度均由計(jì)算機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)器記憶的工作參數(shù)自動(dòng)控制滾筒調(diào)高。若有煤層條件發(fā)生變化，則由司機(jī)手動(dòng)操作割煤(作為位置程度的微調(diào))，也可以遠(yuǎn)程進(jìn)行對(duì)位置的修正，并自動(dòng)記憶調(diào)整過(guò)的工作參數(shù)，作為下一刀滾筒調(diào)高的工作程序。

(4)可根據(jù)運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載變化調(diào)整采煤機(jī)行走速度技術(shù)的研究。采煤機(jī)通過(guò)與順槽計(jì)算機(jī)控制中心實(shí)時(shí)通信，獲得運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采煤機(jī)一旦檢測(cè)到運(yùn)輸機(jī)過(guò)載后，采煤機(jī)自動(dòng)降低行走速度，防止運(yùn)輸機(jī)的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行而損壞電機(jī)。

3.2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤機(jī)開采過(guò)程中的振動(dòng)非常大，因此解決薄煤層采煤機(jī)電控箱的抗振動(dòng)問(wèn)題是解決薄煤層采煤機(jī)電氣系統(tǒng)可靠性的前提，在元器件的選型上要有足夠的裕量、變頻器的抗振性方面要采取措施。

3.3 電牽引采煤機(jī)監(jiān)控程序的研制

薄煤層電牽引采煤機(jī)在井下工作，工況條件很復(fù)雜，必須有完善、可靠的軟硬件支持才能可靠運(yùn)行。

電牽引采煤機(jī)的程序功能主要是控制、監(jiān)測(cè)和通訊功能。控制的任務(wù)就是采煤機(jī)的各種動(dòng)作，即采煤機(jī)的啟動(dòng)、停止;左、右牽引;左、右滾筒的升、降等。監(jiān)測(cè)保護(hù)功能有:截割電機(jī)過(guò)電流保護(hù);截割電機(jī)溫度保護(hù);泵電機(jī)溫度保護(hù);瓦斯超限保護(hù);牽引電機(jī)和電控箱水流量保護(hù);牽引變壓器溫度保護(hù);變頻器故障保護(hù);采煤機(jī)過(guò)零保護(hù)等。通訊功能主要有:采煤機(jī)與順槽設(shè)備實(shí)時(shí)通信;采煤機(jī)工作面定位技術(shù)的研究;三機(jī)之間聯(lián)動(dòng)的研究;井下綜采設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

電氣控制系統(tǒng)的核心部件選用貝加萊的可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC，它綜合了PLC和工業(yè)PC機(jī)兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，具有高速的運(yùn)算能力、大容量?jī)?nèi)存和存儲(chǔ)單元，良好的擴(kuò)展性和開放的通訊、組網(wǎng)能力;并且采用模塊式硬件結(jié)構(gòu)，接線簡(jiǎn)單，連接可靠。PCC的輸入輸出系統(tǒng)能夠直觀的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，另外，該P(yáng)CC還具有完善的自診斷、自測(cè)試功能。采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，PCC程序運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)論

國(guó)家加大對(duì)煤炭企業(yè)的投入，除繼續(xù)建設(shè)高產(chǎn)高效礦井，提高采掘機(jī)械化水平，發(fā)展中、厚煤層一次采全高以及特厚煤層的放頂煤開采技術(shù)和裝備外，研制開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的薄煤層開采技術(shù)和裝備，不僅成為各煤礦亟待解決的問(wèn)題，也成為我國(guó)煤炭工業(yè)研究探討的重要課題，受到我國(guó)煤炭行業(yè)各方面的重視。目前，已有鐵法、西山、晉城、大同、兗州、淮南、淄博、陽(yáng)泉、沈陽(yáng)等10多個(gè)礦務(wù)局引進(jìn)或提出要引進(jìn)大功率薄煤層采煤機(jī)，其中有相當(dāng)一部分礦對(duì)引進(jìn)采煤機(jī)還是上國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)采取觀望態(tài)度。因此，用戶對(duì)薄煤層采煤設(shè)備的要求越來(lái)越高，性能參數(shù)優(yōu)、可靠性高、裝機(jī)功率大、自動(dòng)化和智能化程度高的采煤機(jī)很受用戶歡迎。潛在的市場(chǎng)很大，前景廣闊。

［1］ 方新秋，張雪峰．無(wú)人工作面開采關(guān)鍵技術(shù)［C］//中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開采專業(yè)委員會(huì)．煤炭開采新理論與新技術(shù)論文集．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006:55－59．

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