適應松軟厚煤層的大采高刮板輸送機技術研究

董海寧

摘要：當前我國正在提倡低碳環(huán)保經濟，大力推進高產高效礦井的建設，為提高工作面產量，大幅度降低采煤成本，提高資源回收率，減小煤炭損失，必須進一步研制適應6m以上三軟厚煤層大運量的超重型成套輸送設備，以完善和提高綜合機械化采煤技術與裝備的適應性和可靠性，促進我國煤炭工業(yè)技術結構的升級。

Abstract： At present， China is advocating a low-carbon and environmentally friendly economy and vigorously promoting the construction of high-yield and high-efficiency mines. In order to increase face output， greatly reduce coal mining costs， increase resource recovery， and reduce coal losses， further development must be made to adapt to the three softs of 6m or more. The ultra-heavy complete set of conveying equipment for thick coal seams and large volumes will improve the adaptability and reliability of comprehensive mechanized coal mining technology and equipment， and promote the upgrading of the technical structure of China's coal industry.

關鍵詞：松軟厚煤層;刮板輸送機;技術研究

Key words： soft and thick coal seam;scraper conveyor;technical research

中圖分類號：TD32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0129-04

1? 立項依據與指導思想

1.1 國內外現(xiàn)狀、水平及發(fā)展趨勢

我國是煤炭生產和消費大國，2019年全國煤炭產量達到38.5億噸。我國一次能源的58%來自煤炭，煤炭在我國能源結構中有著其它能源無法替代的作用。在我國現(xiàn)有煤炭儲量和產量中，厚煤層（厚度≥3.5m）的產量和儲量均占45%左右，是我國實現(xiàn)高產高效開采的主力煤層，具有資源和儲量優(yōu)勢。由于煤層厚度大，厚煤層開采有多種方法可以選擇，主要有分層開采、放頂煤開采和大采高開采三種方式，大采高開采資源回收率最高。20世紀80年代中期以前，我國厚煤層開采以分層開采為主。20世紀80年代中期，我國開始了放頂煤開采方法的研究與應用，并在之后至21世紀初得到了迅速發(fā)展。近十年來，大采高開采方法得到了廣泛認可和應用。早期由于液壓支架、采煤機、刮板輸送機等技術與制造業(yè)的制約，加之大采高工作面投資大，使得這一方法的推廣遇到一定困難。近年來，隨著相關技術的解決以及相關設備的國產化進度加快，大采高一次采全厚的方法得到了快速發(fā)展。

我國4.5～5m厚煤層一次采全高的開采工藝和設備已經成熟，并取得了良好的經濟效益。隨著4.5～5m厚煤層的大量開采，可采儲量逐漸減少，6m以上厚煤層的開采工藝和技術裝備開發(fā)研制已是迫在眉睫。由于現(xiàn)有裝備水平和采煤工藝的制約，厚度超過6m的三軟厚煤層均采用采一放一的綜放模式進行煤炭的生產，其生產能力和資源回收率很難有更大的提高。當前我國正在提倡低碳環(huán)保經濟，大力推進高產高效礦井的建設，為提高工作面產量，大幅度降低采煤成本，提高資源回收率，減小煤炭損失，必須進一步研制適應6m以上三軟厚煤層大運量的超重型成套輸送設備，以完善和提高綜合機械化采煤技術與裝備的適應性和可靠性，促進我國煤炭工業(yè)技術結構的升級。

國外大采高開采技術始于20世紀70年代中期，1980年德國威斯特倫礦最大采煤高度達到6m。1983年美國懷俄明州卡邦縣1號礦HananaNO.80厚煤層采高達到4.5～4.7m，三班生產日產量6200t，工作面工效達210～360t/工，實現(xiàn)了高產高效。澳大利亞認為大采高極限高度是6m，主要針對厚度為4.5～4.7m的煤層。另外法國、南非等主要產煤國都進行了厚煤層的開采研究，擁有大采高綜采工作面。

目前，我國厚煤層使用的工作面成套輸送設備為1000、1200系列，主要應用在神東、寧煤、晉城、山西焦煤和陜煤化等局礦，其輸送機能力2000～3500t/h，裝機總功率1400～3000kW，中部槽長度1750mm，配置鏈條規(guī)格為？準38～48mm。

為了提高厚煤層工作面產量，促進綜采技術的發(fā)展，在大于6m厚松軟厚煤層的開采技術上領先世界水平，開發(fā)研制大功率、大運量、高可靠性、技術先進的適應松軟厚煤層的超重型刮板輸送已是當務之急，也是提高國內特厚煤層綜采工作面生產能力的迫切要求。

1.2 技術指標

1.2.1 0主要技術指標

設計長度：? ? ? ? ? ?350m

輸送量：? ? ? ? ? ? ? 3600t/h

刮板鏈速：? ? ? ? ? ?1.68m/s

垂直彎曲：? ? ? ? ? ?±3°

水平彎曲：? ? ? ? ? ?+1°

刮板鏈型式：? ? ? ? 中雙鏈

刮板間距：? ? ? ? ? ?1020mm

圓環(huán)鏈規(guī)格：? ? ? ? ？準52/127×170mm

鏈條破斷負荷：? ? ?≥3400kN

1.2.2 關鍵零部件過煤量（Mt/百萬）

機頭架? ? ? ? ? ? ? ? ?12Mt

機尾架? ? ? ? ? ? ? ? ?12Mt

中部槽? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12Mt

減速器? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 8Mt（不含軸承及密封件）

電機? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6Mt（不含軸承及密封件）

鏈輪軸組? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6Mt（不含密封件）

鏈條? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6Mt

刮板? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6Mt

2? 總體設計方案和技術實施過程

2.1 基本技術參數(shù)的選定

根據煤層的開采工藝特點和用戶要求，以及天地奔牛公司設備在神華集團神東礦區(qū)7m大采高工作面的試驗情況，項目組成員進行了細致而周密的分析、研究和論證，提出以滿足6m以上厚煤層開采為中心，以提高可靠性和使用壽命為設計主導方向，并結合多年來積累的設計、生產經驗并吸收國內重點煤礦用戶使用的經驗，經過多種方案的比較、優(yōu)化，制定出適應松軟厚煤層的大采高超重型輸送設備的基本技術指標如下：

設計長度? ? ? ? ? ? ? ? ? ?350m

工作長度? ? ? ? ? ? ? ? ? ?275m

輸送量? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3600t/h

刮板鏈速? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.68m/s

電動機：

型號? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?HXW78

功率? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1200kW

轉速? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1482r/min

電 壓? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3300V

冷卻方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ?水冷

減速器：

型號? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?KPL-75

傳動比? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 35.197：1

冷卻方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ?水冷

刮板鏈：

型式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?中雙鏈

圓環(huán)鏈規(guī)格? ? ? ? ? ? ? ? 52×170緊湊鏈

最小破斷負荷? ? ? ? ? ? ?3400kN

刮板間距? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1020mm

中部槽：

結構型式? ? ? ? ? ? ? ? ? ?整體鑄焊

規(guī)格? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2050×1250×400mm

聯(lián)接方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ?啞鈴銷聯(lián)接

緊鏈方式? ? ? ? ? ? ? ? ? 液壓緊鏈+液壓自動伸縮機尾

整機彎曲性能

水平彎曲? ? ? ? ? ? ? ? ? ?±1°

垂直彎曲? ? ? ? ? ? ? ? ? ?±3°

根據制定的輸送機基本技術指標，對刮板輸送機進行了詳細設計，利用先進的UG軟件進行了產品樣機的三維設計和驗證;對產品關鍵零部件的合理性、可靠性及制造工藝進行了多次評審、反復論證;嚴格按照ISO9001質量認證程序控制產品開發(fā)過程。在設計思想上堅持創(chuàng)新，對產品和設計持續(xù)改進。

2.2 技術原理及技術路線

機頭尾的電動機動能，經減速器傳遞到機頭尾鏈輪軸組后，轉換為對刮板鏈的牽引力，拖動位于機頭、中部段、機尾的槽狀軌道內閉合狀態(tài)的刮板鏈做連續(xù)循環(huán)運動，將工作面落煤連續(xù)輸送到機頭端后，將煤炭卸載于與其相連的轉載機上。

2.3 技術特點

2.3.1 交叉?zhèn)刃稒C頭（見圖1）

適用于大采高采煤工藝的交叉?zhèn)刃妒綑C頭，對稱結構的機頭兩側均可實現(xiàn)動力部平行及垂直布置。

輸送機機頭架的刮板上鏈道采用凸弧結構，確保刮板鏈始終沿中板運行，防止刮板鏈跳動刮卡犁煤板，因而可將犁煤板與刮板的間隙設計的較小，從而減少刮板夾帶回煤。通過調整中板線形，使刮板鏈在可更換活中板處的接觸壓強最大、磨損最快，以犧牲可更換件的代價提高機頭架的整體壽命。

機頭架中板根據功能分流的原理采用了雙層設計，下層50mm厚的板材用于確保機頭架的結構強度，不與運動的刮板鏈和煤接觸，基本不磨損;上層50mm厚的耐磨板是轉載機刮板鏈和煤的通道，磨損量較大，上層中板磨損嚴重時可在設備升井大修期間更換。另外，采用雙層中板設計結構還保證了能在中板上設計出可靠性高、維護底鏈方便的檢查窗結構。

機頭架上的鏈輪軸組支撐裝置能縮小鏈輪軸組軸承的支撐跨距，提高軸組剛性和運行可靠性。其后部的空腔結構能使鏈輪軸組的潤滑油管順利穿出。

鏈輪軸組與減速器間采用齒輪聯(lián)軸器聯(lián)接，向減速器側滑移齒輪聯(lián)軸器，便能拆裝鏈輪軸組。鏈輪軸組為對稱雙輸入結構，兩側均可與齒輪聯(lián)軸器聯(lián)接，一方面滿足雙驅動部的要求，另一方面在鏈輪單側磨損后可以方便的進行掉向，提高鏈輪軸組的使用壽命。

機頭架尾端通過兩個球形定位銷和四個啞鈴銷與過渡槽聯(lián)接。傳統(tǒng)設計機頭架與過渡槽采用舌板定位，當機頭架與過渡槽被拉開時，原煤進入機頭架中板、過渡槽中板、舌板組成的“U”形凹槽不能被擠出，當機頭與過渡槽再次彎曲時，啞鈴銷就可能被掰壞。采用球形定位銷后，當機頭架與過渡槽彎曲時，除定位銷上方的少量原煤外，其余大部分原煤不會留在機頭架與過渡槽接口處，從而改善機頭啞鈴銷的受力狀況，減少啞鈴銷的損壞次數(shù)。

交叉?zhèn)刃妒綑C頭架設計有主、副卸載口和二次卸載口。

2.3.2 鏈輪軸組（見圖2）

采用進口重型雙列圓錐滾子軸承及浮動密封，提高了鏈輪軸組的可靠性。

鏈輪與軸采用花鍵連接，在傳遞大扭矩時平穩(wěn)可靠，不易壓潰。為提高鏈輪的定位精度，鏈輪與軸通過支撐環(huán)定位，花鍵只傳遞扭矩。

軸組潤滑方式采用遠程外掛大儲油箱的稀油潤滑結構，操作簡便。軸組軸承座內部軸承兩側及鏈輪上加工有內流道確保潤滑油流到軸承兩側，為軸承提供充分潤滑。

選用優(yōu)良的鏈輪材料，穩(wěn)定加工精度和加工后修整要求，提高輪轂部分和齒形心部的綜合強度和韌性，齒面部分的耐磨性和抗擠壓能力。

鏈輪采用高級合金鋼鍛造毛坯，鏈齒采用短齒收弧結構;鏈輪實現(xiàn)了無紙化制造。通過三維CAD/CAM軟件可精確的設計鏈窩齒形，鏈窩加工數(shù)據由設計的三維模型直接提取并用于制造，實現(xiàn)了設計與制造的無縫傳輸，從而確保了鏈輪鏈窩的制造與設計的一致性，因而鏈輪與鏈條的嚙合精度高，使用壽命長。避免了傳統(tǒng)制造方式中設計數(shù)據多次傳遞造成的誤差。鏈窩表面采用感應淬火，淬火硬度大于HRC55左右、深度不小于15mm，且分布均勻，硬度梯度曲線平緩，避免使用時產生淬硬層剝落的問題。

2.3.3 2.05m中部槽（見圖3中部槽結構）

中部槽為鑄焊封底結構。中部槽長度為2050mm、高度400mm，槽內寬1250mm。

中板采用進口高強度耐磨板，中板接口加工成形。

鏟板、擋板槽幫啞鈴銷座的破斷強度為啞鈴銷的2倍以上，在突發(fā)外力超過設計強度時，只損壞啞鈴銷，保護中部槽。槽間定位榫頭采用組焊后整體加工，榫頭由傳統(tǒng)結構的平面改進為球型，在中部槽彎曲時旋轉中心始終不變，嚴格控制中部槽錯口量，降低功率消耗，減少磨損，還可控制中部槽間搭接銷排的節(jié)距變化范圍，能始終保持采煤機與銷排的合理嚙合。

啞鈴銷兩端的定位槽和中部槽啞鈴銷座的定位槽，均開在垂直方向，并為敞開式;啞鈴銷與啞鈴銷座之間留有一定間隙，便于煤漿在設備運動中進入和排出。

開天窗中部槽為全開口插板結構，可最大限度滿足輸送機底鏈維護的要求。開天窗中部槽插板與中部槽有一定傾斜角度以避讓中部槽推移耳和液壓支架十字頭。與開天窗中部槽從鏟板側抽拉插板的方式不同，本套刮板輸送機開天窗中部槽的所有操作均可在擋板側、液壓支架的保護范圍內完成，這一點對于易發(fā)生片幫的大采高工作面由為重要。

2.3.4 電纜槽（見圖4電纜槽結構）

電纜槽安裝在中部槽擋板側，由聯(lián)接板、聯(lián)接座、緊固件等聯(lián)接在一起。

適應7m大采高的電纜槽，電纜槽下部電纜旋轉隔板由蓋板覆蓋，為電纜提供完善的保護。

電纜槽立板外側覆蓋弧板增加其抗彎性，內側增加 與中部槽聯(lián)接的定位銷以減少螺栓承受的載荷。

在輸送機頭、尾部各有兩套特殊結構的電纜槽，是將標準電纜槽拆分成四部分，檢修采煤機時可根據需要拆卸任一部分，解決了標準電纜槽重量大（超過1000kg）、體積大，拆卸不方便的問題。

2.3.5 刮板鏈

采用Φ52×170大規(guī)格鏈條，提高了刮板鏈運行的整體可靠性，滿足超長工作面對鏈條可靠性的要求。

整體對稱模鍛刮板，兩側均可刮煤，可任意方向安裝在鏈條上，避免安裝錯誤。

由三條M30螺栓將刮板與壓板聯(lián)接在一起。鏈條立環(huán)與中部槽中板的間隙增大至5mm以上，不與輸送機中部槽中板接觸，減小鏈條對中板磨損。

2.3.6 伸縮機尾

采用液壓自動控制伸縮機尾，伸縮行程達500mm。通過設定液壓控制閥的參數(shù)，控制液壓缸工作壓力。在刮板輸送機運行時，能根據刮板鏈松緊變化，控制閥可自動調整進行液壓缸補液或排液調整油缸伸縮量，從而始終保持刮板鏈合理的張緊度。

固定底架、伸縮尾架為對稱結構，滿足兩側安裝傳動裝置和左、右工作面的需要。

伸縮機尾固定槽的擋煤板與齒軌座角板采用分體結構。

齒軌座角板上布置有強力銷排，能使采煤機滾筒中心前伸量超出機尾端面，并有一定的臥底量。能適應一定范圍內變化的工作面長度。

機尾上沿按漸變曲線平緩過渡，其中最易磨損的弧段為可更換活上沿結構?；钌涎夭捎昧藬?shù)控切割外形，下部拼焊壓彎耐磨板的結構，提高了制造精度。

外置式液壓油缸和液壓管路，均有保護罩將其完全覆蓋，安全可靠，維護方便。

機尾架前上端部由傳統(tǒng)的封閉式結構改為全開口式結構，便于拆裝鏈輪軸組。

2.3.7 液壓緊鏈器

液壓緊鏈器是由進口液壓馬達經一級齒輪減速驅動減速器，使刮板鏈運行以達到緊鏈目的。由于馬達輸出扭矩的定量性，液壓馬達緊鏈器具有安全、可靠及良好的張緊力控制能力。主要有進口法國波克蘭公司的液壓馬達、集成閥塊、齒輪、防爆微動開關等組成，該液壓緊鏈器已在傳統(tǒng)的基礎上進行了優(yōu)化設計，緊鏈速度1～1.5m/min?？蓪伟彐湺繌埦o，同時可以低速啟動輸送機，特別是能帶動輸送機低速運轉，極大的方便了刮板鏈的檢修和維護，操作安全可靠。

2.3.8 過渡槽

過渡槽的中板與槽幫上沿均采用了高強度耐磨板和刮板鏈通過曲線時的等距技術，減少了刮板鏈的升角，消除了其它類型過渡曲線強加于刮板鏈的疲勞脈動，降低刮板與槽幫上沿的運動比壓，使刮板鏈運行平穩(wěn)，有效地延長了過渡槽的使用壽命。

3? 主要創(chuàng)新點

在項目的開發(fā)過程中，運用了天地奔牛公司近年來開發(fā)的新型專利技術，并在多方面進行了技術創(chuàng)新，保證了該產品的技術性能處于國內領先水平。

首套裝機功率3×1200kW、中部槽槽寬1250mm、配置？準52/170mm規(guī)格鏈條的刮板輸送機。

技術完備的2050mm長中部槽。本套設備刮板輸送機規(guī)格為：2050×1250×400 （長×寬×高）mm，與172mm節(jié)距銷排配套，該型中部槽是未來大采高、超重型刮板輸送機的發(fā)展方向。

雙中板交叉?zhèn)刃妒綑C頭，運用功能分流的原理，將機頭架最易磨損的承力中板改為上下兩層結構，下層中板選用韌性好的板材以保證機頭的結構強度，上層中板選用耐磨性好的板材用于運輸煤炭，在設備升井大修時可將磨損嚴重的上層中板進行更換。

適應7m厚煤層綜采工作面的電纜槽，電纜槽立板側有加強弧板，其下部的電纜支架由蓋板保護，既可防止煤炭外溢，又可有效保護各管路系統(tǒng)。

傳動裝置采用安全可靠的調速偶合器軟啟動系統(tǒng)，其傳遞功率達到3×1200kW，是目前該規(guī)格刮板機采用的最大功率的軟啟動系統(tǒng)。

機尾伸縮采用電液控制自動伸縮，伸縮行程可達500mm，既可滿足緊鏈需要又可滿足機尾切割三角煤和降低機尾高度的要求。

4? 取得的經濟社會效益

4.1 經濟效益

2012年10月，該項目機型銷售山西潞安環(huán)保能源股份公司王莊煤礦1臺套，實現(xiàn)銷售額5600萬元，實現(xiàn)利稅1680萬元。

2013年5月，該項目設備在山西潞安環(huán)保能源股份公司王莊煤礦7105綜采工作面與采煤機、支架、皮帶機完成井下安裝并進行了設備調試。2013年6月開始正式投入為期3個月的工業(yè)性試驗。工業(yè)性試驗期間：最高日產達 40630噸，平均日產34667噸，累計回收率為98%。

通過該項目機型在井下的工業(yè)性實驗，檢驗了該套設備的各項性能指標，均達到了項目預期的設計要求。同時積累了實踐經驗，對今后年產1000萬噸以上大采高超重型輸送設備的設計和制造打下了堅定的基礎，從而提高國內綜采裝備的國際競爭力。

4.2 社會效益

該項目產品的成功研制，充分考慮了山西潞安環(huán)保能源股份公司王莊煤礦7m厚煤層開采項目需求和工作面地質條件，結合了我國采煤工藝的特點及設備使用情況，是由寧夏天地奔牛集團有限公司自主研發(fā)的適應我國采煤工藝、具有自主知識產權的7m大采高工作面的成套輸送設備，具備單工作面年產1000萬噸的能力。

本項目產品的研制，將極大地增強天地奔牛公司的整體技術創(chuàng)新能力，提高天地奔牛公司在綜采輸送設備研制領域中的國內外市場競爭力，也為煤機裝備行業(yè)樹立了標桿。同時，該項目的研制成功也將填補國內外空白，解決國內松軟厚煤層工作面高產高效煤礦創(chuàng)高產亟待解決的技術裝備問題，提高松軟厚煤層一次采全高綜采工作面刮板輸送機成套設備的整體技術裝備水平，促進中國煤炭工業(yè)的發(fā)展，進一步提升我國煤機裝備業(yè)在國際上的競爭地位，具有很好的社會效益。

進一步提高了我國對松軟煤層7m左右一次采全高整體裝備水平和工作面單產能力，使我國的中厚及厚煤層一次采全高超大功率重型綜采工作面運輸成套設備技術水平跨入世界先進行列。

自動化程度顯著提高，采用了國際先進的閥控充液型液力偶合器，實現(xiàn)了刮板輸送機的重載軟啟動。自主開發(fā)了刮板輸送機自動伸縮機尾及刮板轉載機自動伸縮機頭，可根據油缸壓力變化自動調整油缸伸縮量，從而始終保持刮板鏈合理的張緊度。自主開發(fā)了設備自動監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對工作面減速器和電動機主要參數(shù)的實時監(jiān)測。設備安全可靠性增強，明顯降低了工人的勞動強度，改善了勞動環(huán)境，設備故障率明顯降低。

工作面回采率及資源回收率獲得了較大提高，生產成本降低，工作面單產水平、回采工效、全員效率都得到了顯著提高。

該項目機型的研發(fā)成功，為煤礦實現(xiàn)煤炭高產高效的穩(wěn)定生產和礦井的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎，為我國煤炭行業(yè)有類似煤層條件的礦井的煤炭高產高效開采起到示范作用，積累了經驗，并形成了煤炭高產高效開采的新模式。

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