大功率采煤機通用研制思路探討

李寧波

【摘 要】在采煤機的研制中，大功率采煤機的研制可否成功是關(guān)系到企業(yè)能否適應市場需求的關(guān)鍵，本文從采煤機的關(guān)鍵技術(shù)及設計選型上提供了一種模板和設計思路，可供設計者和工礦企業(yè)選型參考。

【關(guān)鍵詞】大功率采煤機；牽引部和搖臂技術(shù)研究；電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型；部件試驗方法

背景資料：目前，在世界煤炭工業(yè)發(fā)達的國家，礦井建設采用一礦、一井、一面的模式，在中厚或厚煤層的綜采工作面開采中，采用大功率、大采高、高性能的交流變頻電牽引采煤機。

由此可以看出國外大功率、大采高采煤機發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）總體結(jié)構(gòu)趨向模塊化，多電機橫向布置方式

2）總裝機功率不斷增大，性能參數(shù)大幅度提升

3）機械元部件可靠性大幅度地提高

4）控制、檢測系統(tǒng)智能化

由此可見發(fā)展大功率采煤機是企業(yè)能否發(fā)展的關(guān)鍵，同時對研發(fā)提出了更高的設計理念。

1 電牽引采煤機的種類及發(fā)展方向

在電牽引采煤機的發(fā)展過程中，電牽引調(diào)速方式基本上可以分為四大類。

第Ⅰ類：直流調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅱ類：交流變頻調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅲ類：電磁滑差調(diào)速系統(tǒng)；

第Ⅳ類：開關(guān)磁組電機調(diào)速系統(tǒng)。

隨著交流變頻器的發(fā)展，交流調(diào)速已日益顯示出技術(shù)先進、性能可靠、維護簡單、價格低廉等優(yōu)點，調(diào)速技術(shù)已相當成熟，通過變頻器對牽引電機進行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以下恒扭矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上恒功率調(diào)速，滿足采煤機實際工況的要求，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是電牽引發(fā)展的主流。

2 總體研制思路

根據(jù)不同煤礦用戶的需要，結(jié)合我廠的加工工藝、安裝水平實際情況，向國外先進技術(shù)學習，總體設計思路和理念主要有以下幾點：

1）在有利于搬運、下井便利方面可采用美國JOY的三段機身結(jié)構(gòu)，減少了不可拆卸的重量、體積，降低了制造工藝難度。

2）在抗振動方面可采用積木式結(jié)構(gòu)模塊化設計，不但解決電控箱振動，受力及適應性問題，而且解決電氣元件抗干擾問題，易于維修和更換。

3）在緊固技術(shù)方面可采用長液壓螺栓緊固技術(shù)，解決機身聯(lián)接和緊固問題。

4）在平衡拖動方面采用國外主流的“一拖一”主、從控制技術(shù)；

5）牽引拖動系統(tǒng)可選用變頻器的主、從控制宏及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC控制）。

3 關(guān)鍵技術(shù)的研究及設計采取的措施

3.1 牽引部和重型液壓拉杠技術(shù)研究和結(jié)構(gòu)設計

由于電牽引部傳動速比大，體積要小，牽引部傳動結(jié)構(gòu)型式已由多級平齒輪傳動和一級行星齒輪傳動向多級行星齒輪傳動發(fā)展，牽引部采用兩級平齒輪兩級行星減速傳動，并對其進行優(yōu)化設計，減少行星頭外徑尺寸，縮短牽引部的長度和寬度。

采煤機采用無底托架結(jié)構(gòu)，要保證采煤機在工作過程中，特別是過斷層時，機身三大塊不松動使其緊緊地聯(lián)接為一整體，選用大規(guī)格、超長重型液壓拉杠緊固技術(shù)，重點要對液壓拉杠的材料性能，結(jié)構(gòu)設計、熱處理及制造工藝，機身選用4根液壓拉杠，結(jié)構(gòu)選為圓形，便于加工制造，減小應力集中。

3.2 大功率搖臂和冷卻降溫技術(shù)的研究和設計

在傳統(tǒng)計算的基礎上，利用大型有限元分析ANSYS軟件，需要對搖臂行星減速器進行彎曲應力和接觸應力的分析，采用數(shù)值模擬技術(shù)對太陽輪、行星輪、行星架及軸承等元部件進行應力和應變分析。搖臂采用直搖臂結(jié)構(gòu)比較好設計和制造，機械傳動采用兩級平齒輪和兩級行星齒輪傳動減速器。采用分離油池，保證行星頭的潤滑。搖臂傳遞功率大，散熱面積小，可以選用采取搖臂內(nèi)腔和行星頭腔內(nèi)設置水冷卻器技術(shù)措施，來解決了搖臂溫度過高的問題。

3.3 行星頭浮動密封技術(shù)的研究

搖臂行星頭浮動密封漏油問題是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，由于漏油很容易造成行星輪打齒，行星輪損壞現(xiàn)象。傳統(tǒng)的行星架支承方式是，一端是圓柱滾子軸承，靠煤壁側(cè)的一端是雙列調(diào)心滾子軸承，這種軸承能承受較大的徑向力，又可以承受一定的軸向力，軸承內(nèi)、外圈軸向游隙量比較大，特別是當采煤機斜切進刀時，受到很大的軸向力，軸承磨損量加大，軸向竄動量也相應加大，導致浮動密封圈破壞而造成漏油。行星架軸承決定一端采用圓柱滾子軸承，靠煤壁側(cè)的一端最佳采用雙列圓錐滾子軸承，該軸承承受軸向力大，安裝時不用調(diào)整軸向間隙，軸向竄動小，保證浮動油封有一定的壓縮量而不致漏油。

3.4 調(diào)高液壓系統(tǒng)的研究和設計

調(diào)高液壓系統(tǒng)最常見的問題是齒輪泵損壞，系統(tǒng)發(fā)熱問題。從系統(tǒng)設計上將調(diào)高控制油路與調(diào)高工作油路分開，采用雙聯(lián)泵，大泵是調(diào)高油缸油源，小泵是控制油源，這樣就可以有效地避免在系統(tǒng)中增設大流量的背壓閥或減壓閥，減少系統(tǒng)的發(fā)熱。根據(jù)泵的流量進行相匹配的操縱閥組，液壓元件選型及管路結(jié)構(gòu)設計，系統(tǒng)增設冷卻器等技術(shù)措施，有效地降低了油液溫度，提高了齒輪泵的使用壽命。

3.5 電氣控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

1）采用“一拖一”、直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC控制）

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”方式，就是指一臺變頻器拖動一臺牽引電機，一臺采煤機由兩個變頻器分別控制兩臺電機，選用ABB的ACS800系列變頻器，采用DTC控制方式，即直接轉(zhuǎn)矩控制，又兼有主、從應用宏。主、從應用宏標準軟件這樣可以解決兩個牽引部受力平衡問題，避免造成牽引部、行走機構(gòu)的損壞。

2）選用完善的控制、監(jiān)測保護功能

控制系統(tǒng)選用用可編程控制器PLC和工控機控制，大屏幕彩顯，具有智能檢測的故障自診斷功能。

3）選用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

能夠?qū)⒉擅簷C信息實時傳至順槽監(jiān)控中心，經(jīng)過視頻系統(tǒng)將采煤機視頻信息實時傳至地面調(diào)度中心，再由地面調(diào)度中心傳至廠家監(jiān)控中心，廠家可以通過視頻對現(xiàn)場進行指導服務。

4）電氣結(jié)構(gòu)設計思路探討

高壓開關(guān)箱、變頻器箱和高壓器箱分別裝入機身的框架內(nèi)，電控箱不受力，拆、裝、運、維修方便。電氣的高低壓元件采用分箱布置，增強了抗干擾能力。變壓器箱三面環(huán)水，有效地解決了變壓器散熱問題，具有良好的冷卻效果。

3.6 采煤機試驗方法思路探討

采煤機部件安裝完畢后需要對部件進行模擬工礦試驗，可以選用水力測功機加載模式和電反饋加載模式，水力測功機加載模式與電反饋加載模式比較，功率損失比較大，大多不能實現(xiàn)全部自動化模擬工礦實際情況，電反饋加載模式是比較流行的加載部件方法，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化模擬工礦試驗，在部件加載過程中可以單個搖臂或者兩個搖臂對拖方式都可以實現(xiàn)加載，牽引部可以采用對拖方式加載，既方便又快捷的實現(xiàn)加載。

4 社會經(jīng)濟效益及推廣應用成果

大功率交流變頻電牽引采煤機在整體結(jié)構(gòu)設計、技術(shù)性能、生產(chǎn)能力指標等方面均選用具有高度的智能化、自動化和網(wǎng)絡化，可靠性高的特點，通過井下工業(yè)性試驗，進一步提高完善大功率采煤機的設計和制造，逐步取代進口同類產(chǎn)品。

大功率采煤機研制選型的應用將有廣闊的市場需求和良好的推廣應用前景，勢必為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

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[責任編輯：朱麗娜]