7LS8型采煤机升级改造用调高油缸设计

史春祥

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

随着近些年国家供给侧改革政策的推行，国产高端采煤机得到了大力发展。进口采煤机采购价高，如何深挖已进口采煤机的潜力，最大限度地发挥其效能，是必须要考虑的问题，于是提出了对现有7.1 m采高的7LS8型采煤机进行升级改造，将其最大采高提升至8.8 m。由于采高的大幅增大，截割部的长度和质量也大幅提升，造成调高油缸的负载相应增加，必须对调高油缸进行重新设计，并对与调高油缸相关的配套件使用问题进行深入研究，以确保升级改造后的采煤机能可靠运行。

1 7LS8型采煤机升级改造相关技术要求

本次升级改造的总体要求为:通过改变机身高度、摇臂长度及其摆动范围、滚筒直径等，将整机的最大采高提升至8.8 m，以满足机头、机尾割三角煤卧底量要求，并且能保证升级改造后整机的可靠性和使用稳定性。与调高油缸相关的技术要求有:

1) 泵站系统不进行改造，只进行大修即可。

2) 为保证升级改造前后破碎机的通用性，要求摇臂连接板及其回转腿长度不做大幅度变化。

3) 与调高油缸的相关部件必须能配套使用。

2 7LS8型升级改造调高油缸的设计

2.1 原7LS8型采煤机调高油缸相关情况

原7LS8型采煤机调高油缸外形尺寸如图1所示，其缸体内径φ450 mm，外径φ551 mm，活塞杆直径φ225 mm，调高油缸基本长度为1 998 mm，行程为1 020 mm。7LS8型采煤机采用上置调高油缸方式，摇臂上升时小腔充液将摇臂拉起，摇臂下降时大腔充液将摇臂推下。使用过程中，截割部下降时泵站压力表显示最大工作压力约21 MPa，截割部上升时的最大工作压力约18 MPa，泵站系统的溢流阀开启压力设定为25 MPa。

图1 原7LS8型采煤机调高油缸

2.2 升级改造调高油缸总体设计思路

采煤机用调高油缸设计的一般思路为[1]:根据力矩平衡原则，调高油缸产生的力矩能克服截割部产生的力矩，同时满足可靠性要求。首先需要确定调高油缸的实际工作压力，进而确定油缸的内外径尺寸，并根据最大采高与卧底量，进一步确定调高油缸的基本长度和行程。原7LS8型采煤机调高油缸的实际工作最大压力，等于截割部下降时泵站压力表显示的最大工作压力减去泵站系统产生的相关压力损失。为此，根据力矩平衡原则，求解原7SL8型采煤机调高油缸的实际工作压力，并以此工作压力作为新设计调高油缸的实际工作压力，进而进行其他相关设计与计算。

2.3 调离油缸最大工作压力

根据力矩平衡原则，调高油缸的受力为：

(1)

式中:F为调高油缸受力；G为截割部的重力；L1为截割部的有效力臂；Q为滚筒截割力；L2为截割力Q的有效力臂；L3为调高油缸的有效力臂。

式(1)中，所有值均随着截割部的不断摆动而变化，故只需找出F的最大值并除以调高油缸活塞面积，即可作为调高油缸的最大工作压力[2]。经迭代计算可知，原7SL8型采煤机调高油缸最大工作压力为13.97 MPa。

2.4 调高油缸相关尺寸的确定

相对于改造前，摇臂长度增加了676 mm，质量增加了1.5 t；截割滚筒直径增加了800 mm，质量增加了3 t。摇臂连接板回转腿的长度增加了20 mm，即L3的最大长度增加了20 mm。为提升截割能力，截割滚筒的转速下降了3.2 r/min。按式(1)的计算公式，设定调高油缸小腔最大工作压力为13.97 MPa，经强度校核和迭代计算，确定活塞杆直径为φ240 mm，调高油缸缸体内径为520 mm，油缸缸体外径为φ620 mm。调高油缸外径增加与牵引箱壳体存在干涉问题考虑到处理这种干涉问题的可行性以及泵站承载能力的裕度问题，确定活塞杆直径φ240 mm保持不变，将调高油缸缸体内径减小至φ500 mm，调高油缸缸体外径减小至φ600 mm，调高油缸理论最大工作压力增大至14.52 MPa。通过对采高与卧底量的进一步校核，调高油缸的基本长度为2 008 mm，行程为1 030 mm。

2.5 闭锁装置的选型

为使调高油缸具有自锁功能，保证摇臂升降过程的稳定性，升级改造后，在采煤机的调高油缸上配置了进口平衡阀。考虑到摇臂在割煤过程中的低幅高频振动特性，选择了耐冲击性较好且流量与泵的排量能配套使用的MBEA型平衡阀[3]。该型平衡阀能承受稳态27 MPa的工作压力，其溢流压力设定为35 MPa。

3 新调高油缸相关配套件的升级改造

3.1 与调高油缸联接的销轴改造

升级改造前，与调高油缸两端联接的销轴直径均为φ170 mm。升级改造后，调高油缸及其联接销轴受载大幅增加，经计算校核，直径φ170 mm销轴承载能力不足。为提高两销轴的承载能力，主要改造措施为:

1) 将销轴的直径由φ170 mm增大至φ190 mm。

2) 改进销轴的材质，提高其许用承载能力。

3) 优化销轴的热处理工艺，提高其在实际使用中的性能。

3.2 牵引箱壳体的改造

如图2所示，调高油缸改造前，其与牵引箱壳体间的最小距离为27.6 mm；调高油缸改造设计后，其与牵引箱壳体间的最小间隙仅为3.1 mm。若牵引箱壳体与调高油缸之间有异物进入，调高油缸便无法下摆到位，从而影响机头、机尾的卧底量，同时会使调高油缸受到侧向力，影响调高油缸的可靠性。

图2 调高油缸与牵引箱壳体间的最小距离

为解决该问题，需要对牵引箱壳体进行改造。实际工作过程中，调高油缸的最小上摆角为0.5°。对牵引壳体改造时，以调高油缸放平时的轴线为基准线，作为镗刀杆的中心位置,以半径R330 mm进行立镗，确保改造后调高油缸与牵引箱壳体间的间隙不小于30 mm。

3.3 调高油缸护罩与相关水路的改造

本次升级改造调高油缸外径增加了49 mm，同时由于调高方案的需要，调高油缸的摆动幅度也有所增加，这就需要对油缸护罩及与油缸护罩相连接的护罩进行改造设计，主要是增加护罩的高度，并从防止块煤进入方面进行改进设计。

调高油缸护罩的改造，既要适应调高油缸的摆动空间，又要防止块煤进入调高油缸与牵引箱壳体之间，但煤灰的进入及堆积问题仍需要解决。为此，从7LS8型采煤机升级改造后的水路上引出一路水，冲刷调高油缸与牵引箱壳体之间的煤灰，这样可以防止煤灰堆积，确保调高油缸的摆动空间和可靠性。

4 7LS8型采煤机升级改造后的使用效果

升级改造后的采煤机及调高油缸于2018年3月下旬开始投入使用。截割部在升降过程中，泵站压力表显示最大压力为22.1 MPa，在允许范围之内。截止到2018年11月底，调高油缸因出现渗漏问题进行了更换,其间共产原煤800多万t，远远超过生产600万t原煤便需要更换调高油缸的预期要求。改造的销轴使用情况良好，调高油缸与牵引箱壳体间不存在干涉问题，二者之间也无煤灰堆积，使用过程中调高油缸摆动灵活。

5 结论

针对7LS8型采煤机升级改造的要求,通过模型的建立和相关分析,计算了升级改造后调高油缸需加的负载,确定了新调油缸的具体尺寸,对闭锁装置进行选型，并对调高油缸相关件进行了设计。现场实际运行表明，该改造设计方案满足了现场需求，取得了良好效果。