8.8m特厚煤層采煤機改造設計與受力分析

原長鎖，贠瑞光

(1.國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司 技術研究院，陜西 神木 719315；2.天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

針對分層開采效率低、放頂煤開采造成資源浪費等問題[1-4]，神東煤炭集團決定采用一次性采全高的開采方式開采8.8m特厚煤層。經調研，國內外綜采工作面實現(xiàn)的一次采全高最大記錄為8.0m[5-7]，未有最大采高達8.8m的報道。研究發(fā)現(xiàn)，神東煤炭集團以往進口的7.0m采高7LS8采煤機，通過升級改造，最大采高可達8.8m。

7LS8采煤機的最大采高由7.0m增大到8.8m后，整機重量與負載將發(fā)生明顯變化，如何保證升級改造后設備各零部件及其聯(lián)接的強度和可靠性，是本研究成敗的關鍵。從分析7LS8原機型技術特征入手，制定整機采高升級方案，建立8.8m特厚煤層采煤機整機受力模型并求解，根據求解結果對相關零部件及其聯(lián)接強度進行改進與加強，從而保證升級改造后設備的使用可靠性。

1 7LS8采煤機原機型主要技術特征

JOY公司生產的7LS8采煤機主要技術特征如下[8]：

1)總裝機功率2925kW，其中截割功率2×1100kW，牽引功率2×200kW，破碎功率270kW，泵站功率55kW。滾筒轉速25.7r/min，重載牽引速度0～17.7m/min，重載牽引力1180kN，整機重量約202t。配套SGZ1400刮板輸送機，機身高度(含頂護板)約3700mm，最大采高約7.0m。

2)整機主要由左右截割部、破碎機構、左右牽引箱、左右牽引塊、電控箱、左右支撐組件、泵站調高系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)、頂護板、拖纜裝置等組成。

3)機身采用三段式結構，每兩段之間采用銷軸定位、采用螺栓副進行聯(lián)接，機身三段之間沒有共用的聯(lián)接副。搖臂與機身之間采用錐形銷軸鉸接結構，通過機身上置式調高油缸，實現(xiàn)搖臂的升降功能。

4)搖臂總成采用分體式直搖臂結構，搖臂本體可左右互換；通過配置多級惰輪，實現(xiàn)搖臂長度的調節(jié)、傳動運動與動力的作用。牽引塊采用一級惰輪結構，鏈輪節(jié)距172mm。支撐組件采用分體框架式焊接結構，可配置調斜油缸，方便配置不同刮板機輸送機時配套件的設計和采煤機位姿的調整。

5)除搖臂殼體采用鑄件外，破碎機殼體、牽引箱殼體、外牽引塊殼體、支撐組件、電控箱殼體等大型結構件均采用高強度板材焊接結構。

2 7LS8采煤機采高升級方案

2.1 采高與中部臥底量影響因素分析

長壁滾筒式采煤機最大采高和中部臥底量的計算公式為[9]：

Hmax=h+Lsinαmax+D/2

(1)

Smax=D/2-h+Lsinβmax

(2)

式中，Hmax為采煤機的最大采高，mm；Smax為采煤機的最大中部臥底量，mm；h為搖臂與機身鉸接中心的高度，mm；L為搖臂的長度，mm；αmax為搖臂的最大上擺角，(°)；βmax為搖臂的最大下擺角，(°)；D為滾筒的直徑，mm。

由式(1)與式(2)可知，采煤機的最大采高、中部臥底量，主要與搖臂和機身鉸接中心高度、搖臂長度及其擺動范圍和滾筒直徑大小有關。因此，制定7LS8采煤機采高升級方案，須從以上因素進行研究。

2.2 7SL8采煤機升級改造方案

根據具體煤層地質條件與7LS8采煤機相關技術參數對比計算結果，7LS8采煤機在升級改造過程中，各部件的功率無需增大；通過變更相關部件的調速齒輪、改進動力學參數輸出，即可滿足8.8m特厚煤層的開采需要。根據大功率厚煤層采煤機的設計經驗[10，11]，制定7LS8采煤機增大采高的初步方案：

2)牽引塊重新設計制造，在高度方向增加一組與原牽引塊相同的惰輪組件，支撐組件相應加高，將搖臂與機身鉸接中心的高度提升約520mm。

3)通過增加兩組與原搖臂相同的惰輪組件，將搖臂加長約680mm。

4)根據對調高油缸工作壓力的校核結果和液壓油的流量大小，將調高油缸內外徑分別增大50mm，并對其閉鎖裝置進行了選型；根據搖臂需要擺動的角度，確定將調高油缸的基本長度和行程均增大10mm。

3 8.8m特厚煤層采煤機受力分析與求解

3.1 8.8m特厚煤層采煤機受力分析

針對神東煤炭集團8.8m特厚煤層采煤機待開采的近水平工作面條件，本文不再考慮由于工作面傾角或俯仰采角度造成的相關力。升級改造后的8.8m特厚煤層采煤機整機受力分析如圖1所示，主要包含以下5個方面的力[13-16]：

圖1 8.8m特厚煤層采煤機整機受力分析

1)前后滾筒受到的截割反力FY1與FY2、推進反力FX1與FX2、軸向力FZ1與FZ2以及受到煤壁摩擦力μFZ1與μFZ1。

2)左右導向滑靴受到銷排的支撐力FD1與FD2、側向壓力FM1與FM2以及由二者產生的相應摩擦力μ(FD1+FM1)和μ(FD2+FM2)。

3)左右鏈輪受到銷排的嚙合反力FQ1與FQ2。

4)支撐滑靴受到鏟煤板的支撐力FC1與FC2及相應摩擦力μFC1與μFC2。

5)采煤機自身的重力G。

按采煤機牽引行走方向，滾筒的轉向與各力的方向亦如圖1所示。以上各力中，滾筒受到的各力、鏈輪與銷排嚙合反力、采煤機自身的重力為已知力，其它力為待求解力。

3.2 8.8m特厚煤層采煤機受力求解方法

以采煤機重心為坐標原點，建立空間坐標系O-XYZ。坐標軸X方向為采煤機行走割煤方向，Y方向指向頂板，Z方向垂直于煤壁并指向采空側。根據整機受力分析情況和力學平衡原理：

ΣFX=0；ΣFY=0；ΣFZ=0

(3)

ΣFXOY=0；ΣFXOZ=0；ΣFYOZ=0

(4)

式中，ΣFX、ΣFY、ΣFZ為分別為沿X、Y與Z坐標軸方向的所有力之和，N；ΣFXOY、ΣFXOZ、ΣFYOZ為分別為XOY、XOZ與YOZ平面內的力矩之和，N·m。

為校核8.8m特厚煤層采煤機的極限受載狀態(tài)，滾筒的截割負載、鏈輪的牽引負載均按滿載等最為惡劣情況計算。將已知的各力代入式(3)與式(4)，通過建立狀態(tài)方程，并利用Matlab編程求解的方法[17]，可就得前后導向滑靴、支撐滑靴受到的6個支撐力或正壓力FD1、FM1、FD2、FM2、FC1與FC2。

4 8.8m特厚煤層采煤機相關零部件強度校核、強度優(yōu)化

4.1 特厚煤層采煤機關鍵零部件強度校核

得出整機的具體受力情況后，為了對關鍵零部件的強度進行校核，首先建立相關零部件三維簡化模型；其次在涉及到欲校核的具體零部件時，需選定合適的分解結構；最后將相關三維模型導入有限元分析軟件，設定約束和負載、劃分網格，進行有限元強度校核[18-20]。

以左牽引箱殼體為例，介紹本次關鍵零部件強度校核過程。首先建立相關整機三維模型，以左牽引殼體與電控箱對接面為邊界，將采煤機分為兩個部分，取左牽引箱殼體所在部分為研究對象；將此部分導入有限元分析軟件中，將其已知受力FX1、FY1、FZ1、μFZ1、FM1、FD1、μ(FD1+FM1)、FC1、μFC1、FQ1以及此部分重力G1輸入，將左牽引箱殼體與電控箱殼體對接面作為約束面，如圖2所示。劃分網格、求解后即可得到左牽引箱殼體的負載應力云圖，如圖3所示。按此方法，亦可對搖臂殼體、牽引塊殼體、支撐架、導向滑靴、支撐滑靴、鏈輪及其軸等關鍵零件以及部件間的聯(lián)接件等進行強度校核計算。

圖2 左牽引殼體強度校核三維模型

圖3 左牽引殼體強度校核結果

對8.8m特厚煤層采煤機升級改造過程中的關鍵零部件強度校核發(fā)現(xiàn)：

1)搖臂加長、截割負載與滾筒重量增大后，搖臂殼體的工作負載相對改造前增加較多，須采取措施保證搖臂殼體的強度和承載能力。

2)滾筒與搖臂重量以及截割負載增加后，原調高油缸升降截割部的能力不足，須進行加強。

3)整機重量與負載增大后，一些關鍵部件間的聯(lián)接強度相對改造前明顯偏弱，須加強。

4.2 特厚煤層采煤機結構優(yōu)化與加固

針對8.8m特厚煤層采煤機升級改造過程中部分關鍵零部件強度偏弱的問題，主要采取以下結構優(yōu)化與加固措施：

1)優(yōu)化了搖臂殼體壁厚和關鍵橫斷面結構尺寸，微調了搖臂殼體材質中的合金成分比例和熱處理工藝參數，使搖臂殼體同時具有足夠的強度、剛性和較好的韌性。

5)將導向滑靴與支撐滑靴分別由鑄造結構、焊接結構改進為鍛焊結構和整體鍛造結構，優(yōu)化二者耐磨層的尺寸，增大二者與各自所屬組件的聯(lián)接強度，提高了導向滑靴、支撐滑靴的強度、適應性，延長其使用壽命。

5 工業(yè)性試驗

2018年3月下旬，該項目改造研制的MG1100/2925-WD型8.8m特厚煤層采煤機，在神東煤炭集團上灣煤礦12041綜采工作面開始進行工業(yè)性試驗，如圖4所示。12041工作面煤層較為穩(wěn)定，為近水平煤層，煤質硬度f=2～3；工作面傾斜長度299.2m，推進長度5254.8m，設計采高8.6m，總儲量1754.6萬t。截止到2019年3月底，共產原煤1300多萬t，創(chuàng)造了一次采全高綜采工作面最高月產146萬t、最高日產5.84萬t世界新紀錄。項目新研制的搖臂、滾筒、牽引塊、支撐組件、調高油缸等均達到了預期過煤量要求，整機結構優(yōu)化與加固方案滿足了現(xiàn)場使用要求。

圖4 8.8m特厚煤層采煤機現(xiàn)場工業(yè)性試驗

6 結 論

1)創(chuàng)新提出的整機受力分析模型與求解方法是準確的，能夠指導采煤機的設計工作，具有較好的推廣應用價值。

2)制定的8.8m特厚煤層采煤機改造設計方案、對關鍵零部件結構優(yōu)化與加固方案是切實、有效的，為后續(xù)厚與特厚煤層采煤機的研制提供了技術借鑒。

3)對存在潛力可挖的采煤機，通過升級改造方式，拓展其適用性，既可快速響應現(xiàn)場使用需求，又能節(jié)省備件存儲等運營成本，是一條較好的設備獲取途徑。