煤礦機(jī)械設(shè)備的工況特點(diǎn)及潤(rùn)滑需求分析

李劍鋒中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司

本文結(jié)合煤礦機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況特點(diǎn)，對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備所使用的潤(rùn)滑材料及其選型進(jìn)行了介紹，為進(jìn)一步規(guī)范煤礦機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑管理提供參考。

煤礦機(jī)械設(shè)備概況

煤炭一直是我國(guó)的主要能源和重要原料，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中煤炭始終占一半以上。在“雙碳”目標(biāo)下，“十四五”時(shí)期我國(guó)將嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)。2021 年我國(guó)全年能源消費(fèi)總量52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)5.2%。煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.0%，比上年下降0.9個(gè)百分點(diǎn)[1]。雖然煤炭消費(fèi)比重下降逐年下降，但這一比重仍然占據(jù)整個(gè)能源消費(fèi)的最大份額。在未來(lái)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭行業(yè)仍然在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，是我國(guó)主要的能源構(gòu)成。

煤炭產(chǎn)業(yè)鏈主要包括開采、洗選、煉焦等，其中潤(rùn)滑油品需求量最大的是煤礦的開采，我國(guó)煤炭的開采，以井工開采為主，井工開采的煤炭產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的80%，露天開采的煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的20%。據(jù)市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)估算，井工煤礦每開采萬(wàn)噸煤，需消耗潤(rùn)滑油脂1.1 t（含液壓支架乳化液）。

井下煤礦開采設(shè)備以綜采和掘進(jìn)設(shè)備為核心，主要設(shè)備詳見表1。

表1 井工煤礦主要設(shè)備

一般而言，煤炭開采與洗選業(yè)固定資產(chǎn)投資中，約30%是設(shè)備購(gòu)置投資，煤炭機(jī)械設(shè)備約占設(shè)備購(gòu)置總體50%，綜采設(shè)備約占煤炭機(jī)械設(shè)備總投資的70%。綜采設(shè)備價(jià)值構(gòu)成中，液壓支架占比最大，達(dá)45%，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)分別占12%、13%、10%，其他設(shè)備占20%。

近30 年以來(lái)，通過引進(jìn)、消化、吸收與再創(chuàng)新，我國(guó)重大煤機(jī)裝備水平顯著提高，與國(guó)外先進(jìn)水平差距不斷縮小，但在設(shè)備能力、可靠性、使用壽命、技術(shù)先進(jìn)性等方面有待進(jìn)一步提升。隨著煤炭開采的安全性、效率、綠色、集約化要求的提高，我國(guó)煤機(jī)設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)著力點(diǎn)正向綜合化發(fā)展，即不僅需要在“單機(jī)”上有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，還需要向成套化、大型化、智能化與高端化發(fā)展，以提高上下游各企業(yè)之間的配套能力，搶占市場(chǎng)制高點(diǎn)。

煤礦機(jī)械設(shè)備維護(hù)現(xiàn)狀

受工作環(huán)境影響，相較于普通的工業(yè)機(jī)械，井下煤礦機(jī)械的使用壽命明顯較短，由于設(shè)備長(zhǎng)期處于極端環(huán)境和高負(fù)荷工作狀態(tài)，因此在開采工作中，需要頻繁預(yù)留時(shí)間檢修、維護(hù)以及更換降低生產(chǎn)效率的部件。

煤機(jī)設(shè)備的使用壽命通常用年限和過煤量來(lái)衡量。不同設(shè)備使用的壽命不盡相同。其中，液壓支架使用壽命在1 000 萬(wàn)t 到3 000 萬(wàn)t之間，每處理1 000 萬(wàn)t 之后要做一次大修，3 次大修以上要報(bào)廢。刮板輸送機(jī)的大修條件為煤炭處理量800～1 000 萬(wàn)t，2～3 次大修后需要報(bào)廢；掘進(jìn)機(jī)壽命在3～5 年；采煤機(jī)使用壽命最長(zhǎng)，一般在5～8 年。

煤機(jī)的維修維護(hù)包括大修、中修、小修。整機(jī)在完成一次采掘工作后需求進(jìn)行例行檢修。小修費(fèi)用約為總機(jī)費(fèi)用的 10%～20%，中修20%～30%，大修 30%～50%。使用2～3 年需要進(jìn)行大修。潤(rùn)滑油的成本，約占總機(jī)費(fèi)用的5%，因此對(duì)于煤機(jī)設(shè)備來(lái)說(shuō)，選擇性能優(yōu)異的潤(rùn)滑油產(chǎn)品，對(duì)于延長(zhǎng)零部件使用壽命，降低維護(hù)成本是有積極作用的。

煤礦機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑工況特點(diǎn)

井工礦煤機(jī)設(shè)備的主要運(yùn)行工況有以下特點(diǎn)：

低速大扭矩常態(tài)運(yùn)行

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于低速大扭矩的工作狀態(tài)下，且由于煤層不可完全預(yù)測(cè)的原因，采煤過程中的負(fù)荷不穩(wěn)定，常出現(xiàn)瞬間過載負(fù)荷，因此對(duì)油品的抗極壓性能要求極高。

工作溫度高

采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)等齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，箱體空間狹小，散熱效果差，箱體內(nèi)部的工作溫度可達(dá)到70 ～90 ℃，甚至更高，采煤機(jī)最高溫度可達(dá)到160 ℃的工作溫度，因此需要油品具備良好的熱穩(wěn)定性。同時(shí)需要油品具備良好的黏溫性能，確保在高溫狀態(tài)下保持足夠的油膜厚度保護(hù)傳動(dòng)部件。

工作環(huán)境惡劣

井下綜采和掘進(jìn)工作面長(zhǎng)期處于多水多粉塵的工作環(huán)境，容易造成油品的污染，從而導(dǎo)致油品變質(zhì)，因此需要油品有良好的分水性能和過濾性，確保油品在受污染后可以有效進(jìn)行凈化處理，維持正常運(yùn)行。

液壓系統(tǒng)壓力

采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)壓力可達(dá)到27 MPa，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)壓力甚至可達(dá)到31 MPa 以上，同時(shí)液壓控制元件比較精密，因此需要油品有優(yōu)異的流體傳動(dòng)性能，確保系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，同時(shí)需要油品有良好的清潔度，保證液壓控制元件的正常動(dòng)作。

煤機(jī)設(shè)備技術(shù)發(fā)展對(duì)潤(rùn)滑提出了更高要求

近年來(lái)，為了提高煤礦的生產(chǎn)效率，煤機(jī)設(shè)備的裝備技術(shù)朝著大型化、智能化與高端化發(fā)展，高可靠性、高度自動(dòng)化、強(qiáng)適應(yīng)性和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，都是煤機(jī)裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，因此需要油品有更好的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，煤機(jī)裝備技術(shù)發(fā)展要求整機(jī)及關(guān)鍵部件使用壽命延長(zhǎng)，因此油品需要提供更好的潤(rùn)滑保護(hù)，具有更長(zhǎng)的使用壽命。另外超大功率煤機(jī)設(shè)備逐步普及應(yīng)用，也對(duì)油品提出了更苛刻的潤(rùn)滑性能要求。

煤礦機(jī)械設(shè)備對(duì)潤(rùn)滑材料的要求

潤(rùn)滑在機(jī)械部件傳動(dòng)和設(shè)備保養(yǎng)中均起著很重要的作用，設(shè)備潤(rùn)滑狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響到機(jī)械設(shè)備的使用性能、工作精度和運(yùn)行壽命，特別是對(duì)于煤機(jī)設(shè)備，潤(rùn)滑油液的正確使用對(duì)于保證采煤設(shè)備順利運(yùn)行非常重要[2]。從井工煤礦對(duì)潤(rùn)滑材料需求看，使用量最大的油品為液壓支架乳化油，占總用油量的40%，其次液壓油占總用油量26%，齒輪油占總用油量22%，液力傳動(dòng)系統(tǒng)用油占7%，其他油品約占5%。

從生產(chǎn)流程看，各生產(chǎn)過程由于設(shè)備配置的差異，用油需求不同，綜采過程油脂消耗最大，占全部油脂消耗的50%，掘進(jìn)過程潤(rùn)滑油脂消耗占比約40%，運(yùn)輸過程潤(rùn)滑油脂消耗約占10%。（以上數(shù)據(jù)未包含液壓支架乳化油）。

從設(shè)備看，不同類別的設(shè)備對(duì)油品需求不同，其中綜采設(shè)備主要使用齒輪油、液壓油和液力傳動(dòng)油，其中齒輪油占比達(dá)65%，液壓油占比約15%，液力傳動(dòng)油占比約20%；掘進(jìn)設(shè)備主要使用液壓油和齒輪油，其中液壓油占比85%，齒輪油占比15%；運(yùn)輸設(shè)備主要使用齒輪油、液壓油和液力傳動(dòng)油，其中齒輪油占比達(dá)50%，液力傳動(dòng)油占比約30%，液壓油占比約20%。

綜上所述，煤礦機(jī)械設(shè)備所使用的潤(rùn)滑材料主要有三大類，具體如下。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑

煤機(jī)設(shè)備液壓傳動(dòng)系統(tǒng)按傳動(dòng)介質(zhì)可大致分為兩大類。一是液壓支架，由于液壓支架普遍存在泄漏情況，因此從環(huán)保及成本等因素考慮，采用乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)。液壓支架的傳動(dòng)系統(tǒng)利用乳化泵站提供高壓乳化液體，通過立柱、推移千斤頂來(lái)完成升降和推移等動(dòng)作。二是綜采、掘進(jìn)、提升等設(shè)備配備的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)配置有柱塞泵和液壓馬達(dá)等高壓元件，工作壓力能達(dá)到25 MPa 以上，這些液壓元件對(duì)油品在高壓下的抗磨、防腐防銹等性能都有極高的要求，因此需選用礦物型液壓油。

煤機(jī)設(shè)備液壓傳動(dòng)系統(tǒng)常用的有以下4 種油品：

◇L-HM 抗磨液壓油。其用于液壓支架以外的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，可滿足配置有高壓柱塞泵的液壓系統(tǒng)使用要求，煤機(jī)設(shè)備普遍使用的牌號(hào)為L(zhǎng)-HM 68 號(hào)，只有乳化液泵站曲軸箱部的潤(rùn)滑例外，大多使用L-HM 100 號(hào)液壓油。

◇HFAE 乳化液。其是以基礎(chǔ)油為載體，添加防銹劑、防腐蝕劑、絡(luò)合劑、多種表面活性劑及消泡劑等多種添加劑復(fù)配調(diào)整而成。與95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右的水調(diào)制成液壓支架乳化液，主要作為液壓支架、單體液壓支柱等系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞介質(zhì)，具有抗硬水能力，對(duì)液壓支架常用的金屬材料和密封材料具有良好的防銹性和適應(yīng)性，但這種乳化液屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，乳化穩(wěn)定性差，易油水分離，潤(rùn)滑性和過濾性均較差。

◇HFAS 濃縮液。其與HFAE乳化液的工作場(chǎng)景相同，也是作為液壓支架、單體液壓支柱等系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞介質(zhì)，HFAS 濃縮液由親水型的潤(rùn)滑劑和多種水溶性功能添加劑相互增溶，形成了熱力學(xué)穩(wěn)定體系，因此相比HFAE 乳化液，HFAS濃縮液具有更好的穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性和過濾性。HFAS 濃縮液與HFAE乳化液均與水混合使用，因此在牌號(hào)的選擇上，需結(jié)合當(dāng)?shù)厮吹挠捕戎笜?biāo)進(jìn)行選型。

◇液力傳動(dòng)油。其主要用于煤礦機(jī)械的液力耦合器、變矩器等裝置，作為流體傳動(dòng)介質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)，大多使用8 號(hào)液力傳動(dòng)油。但也有部分煤礦選用低黏度液壓油L-HM32 號(hào)抗磨液壓油用于液力耦合器或變矩器，這種使用方法會(huì)導(dǎo)致煤礦機(jī)械的動(dòng)力損耗增加，同時(shí)也可能使液力耦合器或變矩器的工作溫度過高。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑

煤礦機(jī)械設(shè)備中采用齒輪傳動(dòng)的部位較多，由于煤機(jī)設(shè)備的工況苛刻，工作溫度高，且載荷大，因此齒輪潤(rùn)滑油需選用極壓性能、熱穩(wěn)定性優(yōu)異的礦物油型重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，一些工況極度苛刻的部位如采煤機(jī)搖臂齒輪箱等，需選用合成油型重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。

用于機(jī)械傳動(dòng)的潤(rùn)滑油品，屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7631.7-1995 潤(rùn)滑劑和有關(guān)產(chǎn)品(L 類)的分類的第7部分：C 組(齒輪)。

煤機(jī)設(shè)備機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)常用的有以下2 種油品：

◇L-CKD 重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。其適用于各種煤礦機(jī)械設(shè)備的齒輪傳動(dòng)部件潤(rùn)滑。按通常煤機(jī)設(shè)備的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般選用L-CKD 320 號(hào)重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。油品的牌號(hào)也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如磨損程度較為嚴(yán)重的老舊設(shè)備，可選用L-CKD 460 號(hào)重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，如因工況特殊導(dǎo)致齒輪箱過熱，可選用L-CKD 220 號(hào)重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，提高油品的散熱效果。

◇L-CKT 重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。其一般應(yīng)用在采煤機(jī)搖臂齒輪箱等，存在過載頻繁、穩(wěn)定性要求高、工作溫度大于100 ℃等極度苛刻工況的傳動(dòng)部位，主要使用L-CKT 320號(hào)重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。同類產(chǎn)品中，長(zhǎng)城AP-S 合成工業(yè)齒輪油性能全面超越L-CKT 級(jí)別的油品，具有更優(yōu)異的性能，可適用于要求極高的采煤機(jī)搖臂齒輪潤(rùn)滑。

軸承、鏈輪、銷軸及其他開放式運(yùn)動(dòng)部位潤(rùn)滑

煤礦機(jī)械設(shè)備中大量存在的軸承、鏈輪、銷軸等部件以及一些開放式的運(yùn)動(dòng)部位，通常使用潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂是一種半固體潤(rùn)滑劑，是在常溫、常壓下呈半流動(dòng)狀態(tài)，并且具有膠體結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑材料。煤礦開采實(shí)際工況中，存在大量粉塵、水分，潤(rùn)滑脂具有良好的密封性、防護(hù)性和防腐性。

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，設(shè)備維護(hù)條件比較有限，因此煤機(jī)用潤(rùn)滑脂需滿足適用性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)管理方便、操作簡(jiǎn)單等要求，在潤(rùn)滑性能方面，需要具備良好的極壓性能、防銹防腐性能，且需具備較好的抗水性能。綜合上述要求，煤機(jī)設(shè)備的軸承、鏈輪、銷軸等部件和開放式的運(yùn)動(dòng)部位，可選用3 號(hào)極壓鋰基潤(rùn)滑脂。長(zhǎng)城3號(hào)極壓鋰基潤(rùn)滑脂的使用溫度范圍為-20～120 ℃，適用范圍廣，可滿足煤機(jī)設(shè)備苛刻的工況條件下的潤(rùn)滑要求。

煤礦機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑材料選型注意事項(xiàng)

煤礦機(jī)械設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件及運(yùn)動(dòng)方式也各有差異，為煤機(jī)設(shè)備潤(rùn)滑材料進(jìn)行選型也成為了設(shè)備維護(hù)的難點(diǎn)。由于不同時(shí)期采購(gòu)的設(shè)備和制造商的不同，造成了設(shè)備維護(hù)手冊(cè)中推薦的油品種類多、雜，且使用缺乏規(guī)范性。首先，設(shè)備制造商對(duì)潤(rùn)滑油技術(shù)發(fā)展缺乏足夠的了解，因此在設(shè)備潤(rùn)滑的說(shuō)明上幾乎沒有更新，甚至有推薦已作廢很多年規(guī)格的產(chǎn)品，讓用戶無(wú)從選購(gòu)。其次，不使用標(biāo)準(zhǔn)化油品名稱，如18 號(hào)雙曲線齒輪油、硫磷型齒輪油、40 號(hào)機(jī)油、黃油等不規(guī)范的油品名稱在設(shè)備維保手冊(cè)中會(huì)時(shí)常遇見，不利于油品的采購(gòu)和使用。更嚴(yán)重的，還有設(shè)備維保手冊(cè)會(huì)為了增加齒輪油的黏稠度，改善密封，建議用戶往油里添加潤(rùn)滑脂，這是絕對(duì)禁止的用油方式。

煤礦企業(yè)在選擇潤(rùn)滑材料時(shí)，首先要充分了解機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用工況及使用環(huán)境對(duì)潤(rùn)滑材料的要求[3]，并緊密結(jié)合實(shí)際工況和作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行合理規(guī)范的潤(rùn)滑材料選型，表2 列舉了主要煤機(jī)設(shè)備潤(rùn)滑部位所需的油品名稱，可作為煤機(jī)設(shè)備潤(rùn)滑材料選型的參考。

表2 井工煤礦主要設(shè)備潤(rùn)滑推薦

結(jié)束語(yǔ)

井下煤礦開采的惡劣環(huán)境以及低速重載、高溫的設(shè)備運(yùn)行工況，對(duì)潤(rùn)滑材料極壓性能、熱穩(wěn)定性、黏溫性能、防銹防腐性能、抗水性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)都提出了很高的要求，且井下?lián)Q油補(bǔ)油的條件都非常有限，對(duì)油品的適用性也有較高的要求。因此，要保持煤礦機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，潤(rùn)滑材料的選型需以科學(xué)的方法，選擇合理的產(chǎn)品。

（續(xù)表2）

（續(xù)表2）