煤礦井下連續(xù)采煤機分體式浮動裝載部的設(shè)計

宋明江

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

連續(xù)采煤機技術(shù)常用于地下煤炭開采，巷道掘進、房柱式開采等地下工程的準備都離不開這種連續(xù)切割設(shè)備。它具有采掘一體化、高效靈活、投資小、見效快等特點，與連續(xù)運輸系統(tǒng)、梭車、行走支架、錨桿鉆車、鏟車等共同組成了短壁開采技術(shù)裝備,不僅適用于主采區(qū)煤田開采、邊角煤回收和“三下”煤層的開采，在煤巷快速掘進中也得到了大量運用。

在高產(chǎn)高效礦井的開采和煤巷掘進中，連續(xù)采煤機對長壁綜采遺存的煤柱、不規(guī)則塊段和殘采區(qū)進行開采，提高資源回收率。在煤巷掘進中，其速度是傳統(tǒng)掘進機的3～4倍，可使煤礦采掘比例嚴重失衡的矛盾得到根本改觀，為大型和特大型礦井的開采創(chuàng)建新模式；同時，也為中小型煤礦的機械化改造和“三下”壓煤的開采提供了技術(shù)途徑和裝備基礎(chǔ)[1]。

如今，在高新技術(shù)的帶動下，連續(xù)采煤機向薄煤層低矮型、厚煤層大采高兩極發(fā)展，整機及元部件性能向大功率體積比、長工作周期、高可靠性及自動化控制、智能化控制乃至無人化方向邁進[2]。截割系統(tǒng)、裝運系統(tǒng)和行走系統(tǒng)是連續(xù)采煤機最重要的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。各系統(tǒng)的元部件性能及可靠性是整機性能的直接反映和有效保證[3]。筆者長期跟蹤連續(xù)采煤機井下應(yīng)用現(xiàn)場，對設(shè)備在使用過程中的現(xiàn)場問題和數(shù)據(jù)進行了大量收集和詳細總結(jié)。現(xiàn)針對連續(xù)采煤機裝載部存在的問題進行分析總結(jié)，并提出相應(yīng)解決辦法，以供業(yè)界人士共同交流探討。

1 連續(xù)采煤機裝載部存在的問題

連續(xù)采煤機主要有截割部、裝載部、行走部、機架、運輸部、除塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水冷卻噴霧系統(tǒng)9部分組成。連續(xù)采煤機實體樣機如圖1所示。

圖1 連續(xù)采煤機實體樣機

裝載部主要由鏟板體、裝運電動機、裝運減速器、耙爪組件、鏈輪組件組成,如圖2所示。裝載部安裝在連續(xù)采煤機的前端,通過一對銷軸鉸接于主機架上。在鏟板油缸的作用下，裝載部鏟板可繞銷軸上下擺動，耙爪組件在裝運電動機、裝運減速器的共同作用下高速轉(zhuǎn)動扒煤，實現(xiàn)煤炭等其他礦物的快速裝載運輸[4]。

1-鏟板體;2-爬爪組件;3-裝運減速器;4-裝運電動機;5-鏈輪組件。

下面就連續(xù)采煤機裝載部在現(xiàn)場使用過程中存在的問題做出總結(jié)：

1) 裝載部鏟板體積龐大，下井、運輸極為不便。國內(nèi)中小煤礦大多為立井提升，設(shè)備下井需要拆解后罐籠或用平板車運輸下井。因井下巷道規(guī)格小、罐籠尺寸小，連續(xù)采煤機部件尺寸相對較大，裝載部鏟板同樣體積龐大，所以部件在下井過程中頻繁出現(xiàn)罐籠裝不下、巷道通不過的問題，給設(shè)備的正常使用推廣造成了極大的不便和障礙。

2) 裝載部鏟板寬度固定，機身側(cè)浮煤難以清理。連續(xù)采煤機短壁機械化開采具有采掘合一、投資少、效益高、機動靈活等特點。可進行煤巷掘進，煤柱及不規(guī)則塊段、“三下”壓煤等資源的短壁開采，也可對露天煤礦邊坡壓煤資源進行端幫開采。常見工藝有井下單巷掘進、雙巷掘進、多巷道掘進，以及井下房式回采、房柱式回采、旺格維利法回采等。連續(xù)采煤機施工巷道寬度一般在5.4～6.0 m，連續(xù)采煤機裝載部鏟板寬度固定，巷道浮煤清理不便，需反復(fù)調(diào)機至作業(yè)完成。

3) 裝載部鏟板油缸控制，巷道底板起伏適應(yīng)性差。連續(xù)采煤機在巷道施工過程中，因操作水平差異導(dǎo)致拉底時將巷道底板切割成波浪狀。設(shè)備向前推進時,裝載部鏟板鏟尖部位會碰觸突起巖體，嚴重時造成部件開裂損壞故障。如遇到凹陷底板，裝載部鏟板鏟尖又不能及時貼合底板面，造成巷道浮煤不能有效清理。

2 連續(xù)采煤機裝載部改進設(shè)計

筆者通過長期的現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，針對連續(xù)采煤機裝載部存在的問題進行了研究，并提出了相應(yīng)的解決辦法。

2.1 裝載部鏟板分體式設(shè)計

連續(xù)采煤機裝載部鏟板整體尺寸長2 800 mm，寬3 150 mm，高1 025 mm，該尺寸已經(jīng)超出很多中小礦井的提升罐籠內(nèi)部容積尺寸，給設(shè)備下井帶來不便。改進設(shè)計時，對裝載部鏟板進行有效的結(jié)構(gòu)分解，實施了鏟板分體式設(shè)計,如圖3所示。改進設(shè)計既保證了部件的功能性和強度，又保證了現(xiàn)場所需的要求尺寸，將裝載部鏟板最大不可拆解尺寸降至長2 500 mm，寬2 000 mm，高1 000 mm。通過有限元仿真分析手段，對裝載部鏟板進行了靜強度分析計算,其應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖4所示。

圖3 連續(xù)采煤機裝載部鏟板分體式設(shè)計

2.2 裝載部鏟板擴展式設(shè)計

針對連續(xù)采煤機裝載部鏟板寬度固定，機身側(cè)面撒煤、露煤，巷道浮煤清理不便等問題，在裝載部鏟板改進設(shè)計時研發(fā)了左、右伸縮鏟板體。鏟板收集物料時寬度范圍直接增加600 mm，且在行走時可以完全收回原有寬度，不影響整機通過性[5]。

2.3 裝載部鏟板浮動式設(shè)計

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的連續(xù)采煤機裝載部鏟板僅具有鏟煤、裝煤功能。浮動控制技術(shù)可實現(xiàn)鏟板的提升、下降、定位和沿巷道底板的浮動。它可以使鏟板緊貼巷道底板行進，既不會遇浮煤抬起上翹，也不會鏟進底板以下，進而達到良好的清理巷道浮煤效果，節(jié)省人工勞動，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本[6]。

圖4 裝載部鏟板最大受力下應(yīng)力應(yīng)變云圖

通過有限元仿真分析手段，對裝載部鏟板進行了動力學(xué)仿真分析計算，確定了鏟板舉升油缸的受力，如圖5所示。油缸在舉升過程中裝載部所施加力逐步增大，裝載部局部結(jié)構(gòu)反受力也在逐步增大。

圖5 裝載部鏟板作用力加載時間歷程曲線

鏟板升降油缸控制鏟板的提升、下降、固定和沿巷道底板的浮動。鏟板浮動可使鏟板不會鏟進底板輪廓線內(nèi)，實現(xiàn)沿巷道底板漂浮。鏟板運動由兩個單作用的液壓油缸控制，下降靠自身重力；回路中裝有蓄能器便于實現(xiàn)浮動功能；平衡閥為鏟板升降油缸提供備壓，以便控制鏟板的下降速度,鏟板的浮動控制原理如圖6所示[7]。

1-鏟板舉升油缸;2-蓄能器;3-安全閥;4-多路閥;5-背壓閥。

3 結(jié)語

分體式浮動裝載部自研制成功以來，部件推廣應(yīng)用至連續(xù)采煤機、掘錨一體機、掘進機等多種煤礦井下采掘裝備。國家能源神東煤炭公司、烏海能源公司、榆神能源公司、陜北礦業(yè)集團、內(nèi)蒙古伊泰集團、蒙泰集團等多家國有大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)成為該項技術(shù)的應(yīng)用客戶。該項技術(shù)應(yīng)用效果顯著，提高了設(shè)備下井運輸?shù)倪m應(yīng)性，對中小礦井、老舊礦井的入井條件要求降低；設(shè)備掘采作業(yè)工藝性好，能夠高質(zhì)量完成巷道掘進作業(yè)，對礦井標準化建設(shè)具有積極的推動作用；設(shè)備維護操作性強，提高了設(shè)備維護的便捷性，降低了維護操作的難度，減輕了工人的勞動強度。