采煤機噴霧水路增壓方案的研究*

朱信平

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

在工作面采煤機工作時會產生大量的粉塵。隨著現代采煤機生產能力的提高，產塵量增加，不但影響煤機司機的視線，而且大量粉塵吸入體內會嚴重危及煤礦工人的身體健康[1]。因此，采煤工作面降塵是當前我國煤炭開采中一項事關職業(yè)健康的重要課題。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“采煤機必須安裝內、外噴霧裝置，割煤時必須噴霧降塵，內噴霧工作壓力不得小于2 MPa，外噴霧工作壓力不得小于4 MPa”?，F有的降塵方式主要通過設在順槽的泵站提供一定壓力的水，經管路輸送到工作面采煤機，由采煤機滾筒和搖臂上的噴嘴噴出，實現內、外噴霧降塵[2]。然而，從泵站到采煤機長距離傳輸后，產生了較大的壓力損失，導致噴霧水壓力不足，難以達到規(guī)程規(guī)定的噴霧壓力，工作面噴霧降塵效果較差[3]。為了獲得更好的降塵效果，在簡單增加供水泵站水量和水壓的方法無法奏效的情況下，在采煤機上設置增壓水泵是提高噴霧水壓最有效的途徑。

1 增壓方案設計

要實現噴霧水路增壓，通常需要動力源、執(zhí)行元件和輔助裝置三部分。動力源可選擇電機、液壓馬達或采煤機已有的動力；執(zhí)行元件為水泵；通過輔助裝置將動力源與水泵、管路有機地連接起來。

在新設計機型上增加噴霧水路增壓系統(tǒng)，可選用任意一種動力源，并選用匹配的執(zhí)行元件和輔助裝置。

若在現有采煤機基礎上增加一套增壓系統(tǒng)，則需要解決以下幾個問題：

1) 增壓系統(tǒng)動力源的確定。由于工作環(huán)境的特殊性，現有機型結構設計較為緊湊，特別是薄煤層設備，機器上沒有額外的空間安裝新增的增壓泵站[4]。驅動只能采用采煤機自身的動力。

2) 增壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇。

3) 增壓裝置安裝位置的確定及保護。現有機型受空間限制，增壓系統(tǒng)在布置和結構設計上也具有較大的難度。

根據驅動增壓水泵動力來源的不同，可設計以下3種噴霧水路的增壓方案。

1.1 采煤機搖臂動力驅動方案

該方案利用采煤機搖臂三軸處的空間和三軸的動力輸出，驅動增壓水泵，將采煤機噴霧降塵水增壓，通過搖臂噴霧降塵。采用搖臂傳動軸驅動水泵的方案如圖1所示，具體包括齒輪軸、離合軸、座、骨架油封、聯軸器、水泵、法蘭、壓蓋等組成部分。離合軸聯接齒輪軸和聯軸器，通過聯軸器與水泵聯接，由齒輪軸帶動離合軸和聯軸器，繼而帶動水泵旋轉。聯接座與軸承壓蓋之間安裝骨架油封，用于在聯接座旋轉狀態(tài)下防止齒輪箱中的潤滑油進入水泵。采煤機工作時，截割電動機驅動搖臂齒輪傳動系統(tǒng)至三軸處轉速約為1 000 r/min，由增壓水泵通過聯接傳動機構與三軸聯接，在電動機運轉的狀態(tài)下對噴霧水路進行增壓。

1-齒輪軸;2-離合軸;3-座;4-骨架油封;5-聯軸器;6-水泵;7-法蘭;8-壓蓋。圖1 采用搖臂傳動軸驅動水泵的方案

該方案由于增壓水泵設置在搖臂上，其優(yōu)點是無需額外的動力源，且離噴霧點距離短，壓力損失小。但需解決以下幾個難點：

1) 采煤機搖臂結構緊湊，需要增壓泵及相關聯接傳動結構的體積足夠小且布置合理；

2) 采煤機搖臂工況極其惡劣，增壓泵系統(tǒng)的防護難度大，需要合理設計防護裝置，保證具有足夠的強度。

1.2 液壓馬達驅動方案

該方案利用采煤機的液壓系統(tǒng)，采用液壓馬達驅動增壓水泵，對采煤機噴霧降塵水進行增壓。液壓馬達的高壓油來自三聯齒輪泵，噴霧水路增壓系統(tǒng)由液壓馬達、增壓水泵、高壓溢流閥和附件等組成[5]。三聯泵產生高壓油，驅動液壓馬達旋轉，帶動高壓水泵工作，實現水路增壓。液壓馬達驅動的增壓方案原理如圖2所示。

圖2 液壓馬達驅動水泵的增壓方案原理

由于液壓馬達驅動方案的連接方式為通過管路連接液壓件，沒有硬性的機械連接，可安裝在機身內部，所以不存在防護問題。但是要具備兩個前提：一是機身需要有一定的安裝空間，用來安裝更換后的齒輪泵和增壓系統(tǒng)的其余零部件；二是機器所配置的液壓動力需要有較大的余量，否則會影響機器自身的正常調高。

1.3 電機驅動的噴霧水路增壓方案

在采煤機新開發(fā)機型上設置噴霧水路增壓系統(tǒng)時，可設計增加單獨的增壓單元，提供單獨的動力源。采用電機驅動增壓水泵的方式，如圖3所示。采煤機電控系統(tǒng)增加一路交流電源，為增壓水泵電機供電。電機通過聯軸器和法蘭與增壓水泵聯接，入水口和出水口安裝相應的水壓水量傳感器、過濾器、溢流閥和壓力表等附件。

1-電動機;2-聯軸器;3-法蘭座;4-增壓水泵。圖3 電機驅動水泵的增壓方案

由于該方案是在新機型開發(fā)時一并考慮的，所以在空間、安裝位置和驅動動力方面都不存在問題，方案更加完善，具有較好的可行性和較高的可靠性。

2 方案的對比分析

根據以上3種噴霧水路增壓方案特點，通過8個方面進行對比分析，結果見表1。

表1 3種方案性能對比分析

由表1可看出：

(1) 3種方案理論上都是可行的；

(2) 方案1的特點是對機器本身影響??；

(3) 方案2的特點是成本低和可靠性高；

(4) 方案3的特點是可靠性高和獨立性強。

3 結論

本文提出了3種采煤機噴霧水路增壓方案，并對3種方案的特點進行了對比分析，為便于方案選擇建議如下：

1) 對于新開發(fā)的機器宜采用單設噴霧水路增壓泵站的方案；

2) 對于在現有的中厚、厚煤層采煤機機型上新增設噴霧水路增壓系統(tǒng)，由于在搖臂上有一定的容納空間，可優(yōu)先采用搖臂傳動系統(tǒng)驅動增壓水泵的方案；

3) 對于薄煤層煤機，搖臂由于安裝空間受限、工作環(huán)境惡劣，可優(yōu)先采用液壓馬達驅動的方案。