油頁巖割巖機的研制與應(yīng)用

夏文秘，焦 鵬，高玉通

(山東能源 龍礦集團，山東 龍口 265700 )

1 油頁巖概述

油頁巖又稱油母頁巖，是一種高礦物質(zhì)含量的固體可燃有機沉積巖。油頁巖經(jīng)熱解(低溫干餾)可得到類似原油的頁巖油和類似天然氣的煤氣。在國際上油頁巖被列為非常規(guī)油氣資源。油頁巖不僅可提煉出多種燃料油類，也可煉制出各種合成燃料氣體及化工原料，其副產(chǎn)品還可用于制磚、水泥等建筑材料。我國是世界上油頁巖儲量十分豐富的國家之一。2004—2006年，我國對油頁巖資源進(jìn)行了國內(nèi)首次評價，查明地質(zhì)資源量為7 199億t，折合成頁巖油為476億t，作為常規(guī)能源的補充，頁巖油對改變我國能源結(jié)構(gòu)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2 問題提出

油頁巖硬度高(普氏硬度f=7)，韌性大，以往多采用人工鎬刨、風(fēng)鎬鉆眼、放炮等為主的方法開采，國內(nèi)尚無成熟的開采設(shè)備。1984—1993年，龍礦集團北皂煤礦首先采用無錫采煤機廠生產(chǎn)的DY-150型單滾筒采煤機，隨后采用雞西煤機廠生產(chǎn)的MLS3-2×170型雙滾筒采煤機在綜采工藝中回采油頁巖，共開采油頁巖工作面10個，采出油頁巖183.659 5萬t。在開采過程中，出現(xiàn)如下問題:

1) 采煤機機身太輕、功率小、牽引力不足、機械強度不夠。

2) 出現(xiàn)采煤機劇烈振動現(xiàn)象，造成各聯(lián)接部位螺栓松動斷裂、打壞電機輸出齒輪、損壞搖臂行星齒輪、搖臂斷裂、損壞截煤部、牽引部漏油、燒毀電機等。

3 割巖機關(guān)鍵技術(shù)的研究

2008年，龍礦集團和太原礦山機器集團根據(jù)油頁巖的特性和使用條件，共同開發(fā)了新型割巖機，使其具備抗沖擊、抗震動、抗彎曲、抗疲勞、功率大、強度高及穩(wěn)定性良好的特性，滿足特定礦井條件要求。

3.1 割巖機有限元模態(tài)分析

整機有多階固有頻率，在不同的固有頻率下產(chǎn)生的振型不同，會使整機中的零部件損壞，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。由于割巖機所受的沖擊載荷不確定，故只對其結(jié)構(gòu)的自由狀態(tài)和約束狀態(tài)進(jìn)行有限元模態(tài)分析。

1) 自由模態(tài)分析結(jié)果。

對割巖機整機自由狀態(tài)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，求解前20階自由模態(tài)特性。前6階自由模態(tài)為剛體模態(tài)，固有頻率很小，不作為校驗的分析結(jié)果，故對7階以上模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行校驗。割巖機整機自由模態(tài)分析9階模態(tài)圖見圖1，其為割巖機在12.55～77.01 Hz的頻率范圍內(nèi)，在外部和內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應(yīng)特性。由圖1可知，隨著自由模態(tài)階數(shù)由低到高的變化，固有頻率不斷增高，振型也越來越復(fù)雜。割巖機結(jié)構(gòu)工作時構(gòu)成低頻響應(yīng)系統(tǒng)，16階模態(tài)之后為高階模態(tài)，對其結(jié)構(gòu)影響較小，可以舍棄。7～20階自由模態(tài)的固有頻率和振型最大位移見表1。

圖1 割巖機整機自由模態(tài)分析9階模態(tài)圖

表1 7～20階自由模態(tài)固有頻率和振型最大位移表

階數(shù)7階8階9階10階11階12階13階14階15階16階17階18階19階20階頻率/Hz12.5515.6219.3523.2834.4436.3737.0842.9745.5659.1662.7672.2273.6577.01位移/mm0.014 20.014 10.019 50.1690.018 40.017 40.018 30.019 80.018 80.011 310.019 90.027 20.040 70.040 9

2) 約束模態(tài)分析結(jié)果。

割巖機在工作過程中，承受各種不規(guī)則的振動，由于工作面工況復(fù)雜，其振動的載荷不斷發(fā)生變化，其實際的振動與自由狀態(tài)不同，需對割巖機整機約束狀態(tài)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，求解了前18階約束模態(tài)特性。前4階模態(tài)主要為左、右搖臂及滾筒的振動模態(tài)，5階模態(tài)之后為整機的振動模態(tài)。割巖機整機約束模態(tài)分析6階模態(tài)圖見圖2。由圖2可知，隨著約束模態(tài)階數(shù)由低到高的變化，各階模態(tài)的固有頻率也不斷增高，各階模態(tài)的振型也越來越復(fù)雜，11階模態(tài)之后為高階振動模態(tài)，對割巖機結(jié)構(gòu)的影響較小，可以舍棄。各級約束模態(tài)的固有頻率和振型最大位移見表2。

圖2 割巖機整機約束模態(tài)分析6階模態(tài)圖

3.2 設(shè)計適應(yīng)油頁巖開采的重型截割系統(tǒng)

1) 通過優(yōu)化傳動系統(tǒng)參數(shù)、搖臂矩形斷面，提高斷面的承載面積、抗彎截面模量，最終提高截割搖臂的承載能力。截割臂斷面示意圖見圖3。

2) 選用抗沖擊齒輪材料，采用齒輪齒形修形和齒向修形，消除因齒輪受載彎曲、扭轉(zhuǎn)等彈性變形所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高齒輪傳動的抗沖擊性。齒輪齒形修形和齒向修形示意圖見圖4，5。

表2 各階約束模態(tài)固有頻率和振型最大位移表

圖3 截割臂斷面示意圖

3) 改善行星減速機構(gòu)的均載和齒面的潤滑狀態(tài)，提高齒輪的承載和抗沖擊性能。接觸應(yīng)力分布和應(yīng)力曲線圖見圖6。

3.3 提高機身整體的穩(wěn)定性

1) 割巖機機身使用高強板箱形框架鑄焊結(jié)構(gòu)的主機架，此箱型結(jié)構(gòu)由頂板、底板、側(cè)板及一定數(shù)量的隔板組成，具有較大的剛度和整體性及較好的抗震性和補償性，降低了基大反作用力及劇烈震動對牽引部、泵站、高壓箱、控制箱的影響。

圖4 齒形修形示意圖

圖5 齒向修形示意圖

圖6 接觸應(yīng)力分布和應(yīng)力曲線圖

2) 連接形式采用雙排螺柱燕尾槽楔鐵組合配合液壓長螺桿防松結(jié)構(gòu)，對關(guān)鍵部位加強設(shè)計，保證了機身連接可靠；對機身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化重量合理匹配，提高了割巖機整體的抗震性。主機架的應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 主機架的應(yīng)力云圖

3.4 調(diào)高油缸的抗沖擊性

在調(diào)高油缸前后增加高壓緩沖油池，割巖機由沖擊產(chǎn)生的振動通過高壓緩沖油池得以緩沖，避免活塞與油缸端部的直接金屬碰撞，降低超負(fù)荷的截割力對油缸產(chǎn)生的沖擊，延長調(diào)高油缸的使用壽命，同時減少對機身產(chǎn)生的巨大沖擊。

3.5 增強電氣系統(tǒng)的抗震性

通過選用高可靠性的元器件、控制中心、變頻器，并且內(nèi)部線路板采用膠封固化方法處理，緊固位置采用雙螺母加厭氧膠固化，監(jiān)控中心增加阻尼減震等措施，提高電氣系統(tǒng)的抗震性。

3.6 優(yōu)化截割滾筒的破巖性

1) 優(yōu)化截齒結(jié)構(gòu)。將滾筒葉片頭數(shù)由3頭優(yōu)化為4頭，選擇合理的螺旋葉片升角和截齒的排列方式，降低截割能耗，提高出塊率。

2) 增加截齒數(shù)量。選用重型截齒及齒座，采用K225SPIH及相應(yīng)的齒靴系統(tǒng)，配U170LR-HF 3.5 25 截齒，調(diào)整齒座的空間角度，使截齒在截割的過程中有利于旋轉(zhuǎn)，以延長截齒的使用壽命，提高滾筒截齒受力的均衡性、平穩(wěn)性及截齒的抗沖擊能力，減小截割時的沖擊載荷。

3) 在滾筒端盤、葉片易磨損處和齒座前加焊耐磨塊，用以保護齒座，減少磨損，提高滾筒的耐磨性。

4) 將滾筒直徑由d2 200 mm減少至d2 000 mm，降低截割導(dǎo)致的震動及對割巖機搖臂傳動系統(tǒng)的沖擊。

5) 配備文丘里噴霧裝置，減少水的使用量，提高降塵的效率。

3.7 截割功率的確定

截割功率的大小直接決定了割巖機的截割能力。參照以往使用的DY-150、MLS-2×170及MGTY-250/600采煤機，結(jié)合井下現(xiàn)場供電電壓為1 140 V的現(xiàn)狀，確定將截割功率增加到2×400 kW，牽引功率增加到2×55 kW，調(diào)高功率增加到20 kW。

在解決了以上技術(shù)關(guān)鍵后，成功研制了專用MGTY400/930-1.1D割巖機，平均月產(chǎn)量10.42萬t，性能良好，故障率低，較普通采煤機月產(chǎn)提高了135％。目前,該公司已購置5臺整機，為油頁巖開采和硬巖開采提供了新型專用設(shè)備。

4 結(jié) 論

自2007年至今，MGTY400/930-1.1D割巖機在龍礦集團共回采油母頁巖1 700多萬t，梁家煤礦1103面最高月產(chǎn)量13萬t，北皂煤礦1403工作面油頁巖單臺單面總回采194.75萬t，沒有進(jìn)行中修、大修，為龍礦集團年回采油母頁巖超300萬 t提供了保證。

2013年9月在山西省科技廳組織的鑒定會上MGTY400/930-1.1D割巖機項目的開發(fā)研制及應(yīng)用得到一致好評，為油頁巖開采提供了新的技術(shù)和裝備，符合國家資源綜合利用和節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策，達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。