薄煤层滚筒式采煤机大功率截割系统的研发

刘 杰

（同煤集团云岗矿机电科， 山西 大同 037017）

引言

云岗矿5014工作面因煤层坚固性系数高达10，一直采用炮采工艺方式，使得工作面的生产效率不高，同时井下复杂的工作环境也使得劳动条件较差。为实现同煤集团提出的高产高效的开采目标，同时解决含硫化铁硬结核坚固煤层的回采难题。该矿决定对项目进行立项研究。煤炭生产的机械化、自动化始终是追求的目标，综合机械化开采是解决煤炭生产效率低、劳动条件差的根本途径，是提高安全生产最有力的保障，也始终是云岗矿多年来想努力实现的目标。因此，研究薄煤层滚筒式采煤机大功率截割系统，加强云岗矿机械化开采力度，为实现云岗矿高效高产安全开采奠定基础。

1 工程概况

云岗矿7号煤层的赋存条件与8号煤层存在较大的差别。8号煤层厚度更薄，煤层、硫化铁结核及夹矸硬度更大，夹矸厚分布不均匀，增加了该煤层的机械化开采的难度[1]。因此该矿决定对当前使用的MG110/250-BW型采煤机进行优化改造，结合8号煤层的开采工况，提高该型号采煤机的相应性能，让其能更好的适应含硬夹矸薄煤层的开采情况。改进优化后的采煤机能在8号煤层进行有效的开采，因此确定该改进型采煤机为云岗矿应用机型。

2 摇臂增容强度分析

1）根据相应要求，设计将采煤机单摇臂截割功率进行扩容，从2×55 kW增加至2×70 kW。从理论上验证扩容后的截割功率是否满足使用要求[2]。本次改造主要是针对MG110/250-BW型采煤机的改进型。采高0.9～1.2 m，截深0.63 m，牵引速度0～5 m/min。云岗矿8号煤层5014工作面煤层平均厚度0.90 m，硫化铁结核体的层位不定，坚固系数为11。经计算可知：工作时截割功率为231.32 kW，理论计算本机截割功率为4×70=280 kW，因此能满足使用。

2）一轴轴承优化。一轴转速高达1470 r/min，实践过程表时其使用时间非常之短，因此将轴承型号进行更改，改NJ215型号为NJ22215型号。保持轴承的内、外径不变，宽度增加31-25=6mm，测试结果表时额定动负荷可提高24.6%。

3）其他各轴扩容后的变化值见表1。

表1 其他各轴扩容后的变化值

从表1的数据值可以看出，增容后的截割部相对之前富余量有所降低，但都小于选用值，完全可以满足使用。

4）扭矩轴设计。考虑到截割功率的增大，因此调整扭矩轴的设计要求，调整扭矩轴花键为24Z×3 m，扭矩轴剪切断面空刀直径选择Φ5mm、Φ59mm、Φ63mm三种方案。行星头输出端的2×Φ28mm圆柱销改为缺口键结构，如下页图1所示。

5）增加挑顶高度。设计将以往的将弯摇臂改为直摇臂，挑顶高度增加到142mm。

6）此次扩容改造实施方案改动部分如下：左摇臂壳、右摇臂壳、一轴、四轴、六轴、七轴、扭矩离合器、支承轴套。

图1 圆柱销结构示意图（单位：mm）

3 牵引部双行星减速器设计

优化设计后的采煤机截割功率调整到了140 kW，因此增加了采煤机的自重，必须提高牵引力。由于液压传动的调整，液压系统压力提高到17.5 MPa（175 bar），液压马达排量提高到63 mL/r，改变第二级行星减速器的传动比提高到4.44，牵引力能达到200 kN。由于牵引力的提高，经计算，加大了第二级传动的齿轮的强度，模数提高到3.75，减速器外径增加了16mm，保持原来壳体壁厚不改变，其他部位的机身厚度为310mm，机身局部厚度为325mm[3]。

4 薄煤层采煤机挡煤装置研制

为解决8号薄煤层采煤时工作面煤层薄、工作空间狭小的问题，设计了薄煤层采煤机挡煤装置。该装置包括挡煤板、连接底座、行走部和侧连接板，其中连接底座一端与采煤机连接，另一端连接行走部。该行走部底部基座两端翘起，呈滑靴状，其内部设有齿轮，该齿轮与刮板输送机齿轨相啮合；侧连接板和挡煤板分别设于连接底座两侧。

本装置一端与采煤机相连接，以采煤机的运行为动力；另一端设有根据采煤机滑靴设计而成的行走部，通过行走部随同采煤机一起行进。在不影响采煤机正常工作的情况下，可解决采煤机因过煤量小造成的煤炭外溢问题，同时提高了挡煤装置在生产过程中的安全系数。行走部设有防护罩，这种设计保护了行走部内齿轮和其他部件，防止煤炭、矸石等落入行走部阻碍齿轮转动。在挡煤装置上安装喷雾阀块代替采煤机外喷雾，解决了采煤机外喷雾在采煤机割煤时被落煤掩埋而起不到降尘的问题，提高了采煤机落煤降尘效率。作为优化，连接底座上设有通孔，煤粉、矸石等可漏出挡煤装置，方便挡煤装置的清理。在采煤机上设有高清摄像头，这种设计克服了综采工作环境可见度低的缺陷，当采煤机上采落特殊异物如珍贵矿石时，可及时发现，并作出相应的处理。采煤机上有急停开关，该急停开关包括外壳、保护膜和防爆开关保护膜为一呈碗形的外凸薄膜，该保护膜覆盖外壳敞口端，边缘连接于托槽内，托槽内填充有水。防爆开关外侧设置水封不透气外壳，可防止环境中可燃易爆气体接触开关，避免了因操作产生的火花引爆气体而导致爆炸等危险事故；托槽内添水，亦可根据水的渗透情况，作为密封效果是否完好的标准。

5 机器抗震动及抗磨损研究

5.1 采煤机抗震动方面

在8号薄煤层开采中，采煤机在割煤过程中既要割落坚硬结核和夹矸，又要扫顶作业，采煤机要求具有很强的抗震、防震性能。因此需要考虑增加机器重量，减小采煤机工作时的震动幅度，降低连接件间的松动时间，提高采煤机工作时的平稳性。具体改进如下：一是在有限的空问内增加机器的重量。对煤厚变大时，通过加装配重板，机重可达20 t以上，进一步提高机器抗震性能。与MG110/250-BW型采煤机相比，配重情况如下：总质量24 t，增加了8 t，提离率达50%；左截割部重3442.97 kg，右截割部重3440.26 kg，总质量 6883.23 kg，增加了 1345.23 kg，提高率达24.3%。二是优化滚筒结构和截齿排列，使其工作平稳，功率消耗少，减少对机体震动的影响。三是滚筒转向采用正向对滚方式，因滚筒直径与煤层厚度大体相当，前滚筒承担了主要的割煤、装煤上作，截割反力下压机器，有利于机器的工作平稳和装煤。四是电气系统在固定、防松方面采取有效的防震措施，关键部件选用抗震性能强的产品，电子器件、线路板与壳体间增加局部胶封固定，所有连线采用防松、快速接插件式连接。主控器组装完成后，通过震动测试后再进行安装[4]。

5.2 采煤机抗磨损方面

考虑到8号煤层的坚固性系数高达10，必须提高采煤机的抗磨损性能。对MG110/250-BW型采煤机的主机体底面优化改为铺焊具有高抗磨性的材料，在提高采煤机机壳底面耐磨损情况的同时，还能提高机壳的强度。另外在截割部壳体的磨损处，也采用铺焊高抗磨性的材料。

6 应用情况

云岗矿针对8号煤层5014工作面的工况，对原MG110/250-BW型采煤机进行了优化改造，设计开发出有针对性应用的薄煤层滚筒式采煤机，并将该型号采煤机进行了实践应用。通过在5014工作面的应用效果来看，该采煤机能有效消除薄煤层炮采工艺带来的安全隐患，改善工作环境，降低劳动强度，有利于提升云岗矿井整体产量。改进后的薄煤层滚筒式采煤机的研发和实践应用为开采同类型煤层提供了参考。