一種刮板輸送機(jī)的升級(jí)改造與應(yīng)用

韓振華

（峰峰集團(tuán) 河北天擇重型機(jī)械有限公司，河北 邯鄲 056200）

0 引言

在煤礦回采工作面中，為了保護(hù)工作面內(nèi)設(shè)備和人員的安全生產(chǎn)，要對(duì)頂板進(jìn)行支撐和管理，以防止工作面頂板冒落。支護(hù)設(shè)備有金屬摩擦支柱、單體液壓支柱和液壓支架。它們與采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)分別組成“普采”、“高檔普采”和“綜采”設(shè)備[1]。不同的配套型式，刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)形式也各不相同。隨著國(guó)家政策導(dǎo)向及煤礦高產(chǎn)、高效、安全等要求，“普采”與“高檔普采”開(kāi)采工藝已相繼淘汰，配套有液壓支架的綜合采煤裝備逐步成為采煤作業(yè)的首選設(shè)備。

1 原刮板輸送機(jī)的應(yīng)用情況

刮板輸送機(jī)是綜合機(jī)械化采煤工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，除運(yùn)送煤炭外，還可作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道、液壓支架移架的支點(diǎn)，并兼有清理工作面浮煤，放置電纜、水管等功能②。需升級(jí)改造的刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ630/264，在礦方與采煤機(jī)、單體液壓支柱、鉸接頂梁配套，組成“高檔普采”。但由于單體液壓支柱支、撤及移動(dòng)仍靠人工進(jìn)行操作，所以勞動(dòng)強(qiáng)度仍然較大，安全性也差，工作面的產(chǎn)量和效率的提高受到限制。同時(shí)，工作面底板為砂質(zhì)泥巖，遇水變軟，單體支柱“鉆底”情況比較嚴(yán)重。

為改善回采工作面的工作條件、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效增加作業(yè)安全性，使工作面的產(chǎn)量和效率得到較大的提高，礦方?jīng)Q定購(gòu)置液壓支架進(jìn)行頂板管理，將工作面設(shè)備升級(jí)為“綜采”裝備。但現(xiàn)有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)均為新采購(gòu)設(shè)備，為降低投資成本，避免設(shè)備閑置，礦方有意保留原采煤機(jī)，對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足開(kāi)采要求。

如圖1所示，原刮板輸送機(jī)中部槽推移耳為圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，用以固定單體支柱實(shí)現(xiàn)推移?，F(xiàn)需將刮板機(jī)中部槽進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與液壓支架的“綜采”配套。

圖1 原刮板機(jī)中部槽

2 中部槽改造方案的確定及優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析原刮板機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，影響工作面“綜采”配套是該中部槽不具備與綜采液壓支架互為支點(diǎn)進(jìn)行“推溜、拉架”的連接裝置。若要解決這個(gè)問(wèn)題，一種改造思路是保持原刮板機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)，將液壓支架推移機(jī)構(gòu)十字連接頭設(shè)計(jì)制作成特殊結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)“推溜、拉架”，另一個(gè)改造思路便是改造刮板輸送機(jī)中部槽，液壓支架保持現(xiàn)有成熟的十字連接方式。綜合上述兩種方案，方案一中部槽圓盤(pán)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足“推溜”還可以，但是在“拉架”時(shí)，僅靠圓盤(pán)上的焊縫強(qiáng)度無(wú)法保證拉架力。同時(shí)，方案一中提到液壓支架非標(biāo)設(shè)計(jì)也不利于設(shè)備的備件管理工作。綜上所述，明確了方案實(shí)施方向：對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行改造，將工作面設(shè)備升級(jí)為“綜采”設(shè)備。

刮板輸送機(jī)中部槽的升級(jí)改造首先是要滿(mǎn)足“三機(jī)配套”的要求[3]。采煤機(jī)械產(chǎn)品中，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架相互之間性能的匹配和各空間尺寸的配套，在行業(yè)中稱(chēng)之為“三機(jī)配套”。“三機(jī)配套”作為采煤作業(yè)綜合機(jī)械化裝備選型的重要環(huán)節(jié)，其合理性直接關(guān)系到采煤作業(yè)的產(chǎn)能、效率和設(shè)備操作人員的人身安全。

綜采工作面情況：1）開(kāi)采方法為綜采；2）煤層厚度為0.9～1.3 m；3）煤層硬度為f≤4；4）夾矸分布及厚度為無(wú)；5）工作面長(zhǎng)度為130 m；6）工作面走向傾角為2°～7°；7）工作面傾角為1°～2°；8）工作面走向長(zhǎng)度為1559 m；9）頂板和底板條件，頂板大多數(shù)為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖；底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖；10）運(yùn)輸順槽尺寸（寬×高）為4.8 m×2.5 m；11）回風(fēng)順槽尺寸（寬×高）為4.8 m×2.5 m；12）工作面方向?yàn)橛?。即面向工作面，運(yùn)輸順槽位于右手側(cè)。

綜采設(shè)備選型：中間支架型號(hào)為ZY3300/08/17；端頭支架型號(hào)為ZZ5200/16/28；采煤機(jī)型號(hào)為MG210/485-WD；刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ630/264。

“三機(jī)配套”確定的主要技術(shù)要求：1）支架連接頭采用單耳形式、刮板輸送機(jī)推移耳采用雙耳形式，推移連接銷(xiāo)軸均為φ50 mm；單耳耳厚為80 mm；刮板機(jī)單邊耳厚為70 mm；2）采煤機(jī)截深為630 mm；滾筒直徑為φ1000 mm；3）刮板輸送機(jī)采用整體鑄焊封底結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)部垂直布置，采用端卸方式。

中部槽改造方案的確定：根據(jù)綜采選型和“三機(jī)配套”，刮板輸送機(jī)選用中雙鏈封底結(jié)構(gòu)的鑄焊中部槽，頭、尾雙驅(qū)型式，該結(jié)構(gòu)形式可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、事故率低、壽命長(zhǎng)。同時(shí)，根據(jù)原有中部槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與液壓支架的配套需要，制定出3套中部槽改造方案：1）方案一。如圖3所示，將原推移耳及推移部底板去除，重新焊接推移底板和推拉耳，推拉耳仍采用單耳型式。該方案可以實(shí)現(xiàn)配套要求，但原底板進(jìn)行更換、改造工作量較大。且中部槽元寶座底座和電纜槽連接立板由于氧氣切割、二次焊接，容易造成較大變形，不能保證原有使用尺寸。2）方案二。如圖4所示，將原推移圓盤(pán)去除，在原推移耳兩側(cè)、電纜槽連接立板以外加上兩組與液壓支架配套的推拉耳。新增推拉耳連接長(zhǎng)度較短，焊縫長(zhǎng)度無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，因此在原有推移耳組焊后鉆3組銷(xiāo)孔，由過(guò)盈配合銷(xiāo)軸增強(qiáng)推拉耳與原中部槽之間的連接強(qiáng)度。該方案簡(jiǎn)單、實(shí)用，但需大型鉆車(chē)或鏜床進(jìn)行鉆孔作業(yè)，而礦方不具備相關(guān)加工設(shè)備。若整體運(yùn)輸回公司改造，不僅工期長(zhǎng)，運(yùn)輸費(fèi)用也較高。3）方案三。如圖5所示，在方案二的基礎(chǔ)上將新增的推拉耳延長(zhǎng)至刮板輸送機(jī)中部槽槽幫處，通過(guò)增加焊縫長(zhǎng)度和三角筋板增強(qiáng)連接強(qiáng)度，可省去開(kāi)孔作業(yè)。為進(jìn)一步加強(qiáng)推拉耳與中部槽的連接，還可以提前用火焰切割的方式在中部槽底板上開(kāi)塞焊孔。該改造方案既可以滿(mǎn)足“綜采”配套使用要求，而且實(shí)施成本低、周期短、可行性強(qiáng)。因此，最終采納方案三。

圖2 三機(jī)配套中部斷面圖

圖3 改造方案一

圖4 改造方案二

圖5 改造方案三

中部槽改造關(guān)鍵部件受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)：

首先，利用SolidWorks軟件[4]根據(jù)上述改造方案三對(duì)該刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行三維建模，通過(guò)三維建模既可以直觀(guān)地檢查各改造方案的合理性及各改造尺寸是否有偏差，同時(shí)也為關(guān)鍵部件受力分析做好前期準(zhǔn)備工作。

建模完成后，根據(jù)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用情況，利用SolidWorks中的Simulation功能對(duì)主要受力部件（推拉耳）進(jìn)行固定和受力分析。分析前要計(jì)算ZY3300/08/17型液壓支架推移千斤頂?shù)耐屏屠?，進(jìn)而對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽施加外力。

液壓支架推移千斤頂推力和拉力計(jì)算[5]：

1）推移千斤頂缸徑D=140 mm，桿徑d=85 mm，供液壓力為31.5 MPa。

2）推移千斤頂采用正裝方式，該安裝方式液壓支架推移刮板輸送機(jī)的推力遠(yuǎn)大于所需推力。為減小推力，利用差動(dòng)原理，推移千斤頂需配有交替閥組，將千斤頂進(jìn)液和回液串通。

3）千斤頂無(wú)桿腔液壓力F1= πD2/4×31.5=485 kN；千斤頂有桿腔液壓力F2=（πD2/4-πd2/4）×31.5=306 kN；千斤頂推力F3=F1-F2=179 kN；千斤頂拉力F4=F2=306 kN。

受力分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于拉移耳較長(zhǎng)（拉移耳的長(zhǎng)度根據(jù)“三機(jī)配套”尺寸確定），兩拉移耳之間長(zhǎng)孔處強(qiáng)度略顯薄弱。經(jīng)過(guò)計(jì)算和再次受力分析，增加了上、下加強(qiáng)拉筋，將推拉耳結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整到最優(yōu)，如圖6所示。

圖6 主要部件受力分析

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，升級(jí)改造完的刮板輸送機(jī)中部槽在采煤工作面與采煤機(jī)、液壓支架性能相互匹配，結(jié)構(gòu)尺寸空間也恰到好處，現(xiàn)綜采設(shè)備已順利推進(jìn)1000余米，主要受力部件仍結(jié)構(gòu)完好，整體應(yīng)用效果良好。

中部槽改造方案的制作工藝說(shuō)明（如圖7）：1）根據(jù)綜采配套需要，與礦方共同協(xié)商制定出此中部槽改造方案；2）將原80主耳板5通過(guò)切割的方式，修改至滿(mǎn)足圖樣尺寸；3）將原底板7的4-φ27按照?qǐng)D樣要求進(jìn)行切割，以塞焊型式與側(cè)耳1焊接；4）將原用于固定原80主耳板5的三角筋板去除，打磨平整，然后將側(cè)耳1（側(cè)耳）按照?qǐng)D樣要求焊接于原80主耳板5兩側(cè)；5）按照?qǐng)D樣要求焊接上封板2、下封板3、三角筋板4，以加固改造結(jié)構(gòu)；6）焊接時(shí)，采取有效措施，盡量較少變形。

圖7 中部槽改造

3 綜采工作面機(jī)頭布置及刮板輸送機(jī)機(jī)頭推移部設(shè)計(jì)

綜采工作面機(jī)頭、尾布置綜采設(shè)備選型中，工作面中間液壓支架型號(hào)為ZY3300/08/17，對(duì)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)工作面采煤高度為1.1～1.5 m。順槽施工工藝為利用掘進(jìn)機(jī)沿著煤層頂板臥底進(jìn)刀，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽高度均為2.5 m，這樣一來(lái)工作面與順槽之間便會(huì)有1 m多的高度差。根據(jù)這樣地質(zhì)情況，可以將刮板輸送機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置為垂直方式，機(jī)頭、機(jī)尾由工作面伸入到順槽，在順槽里布置ZZ5200/16/28端頭支架，對(duì)端頭區(qū)域進(jìn)行頂板管理，同時(shí)兼顧刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的推移作業(yè)。這樣的布置方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）刮板輸送機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)里省去了中部槽和機(jī)頭之間的過(guò)渡槽，采煤機(jī)滾筒可直接進(jìn)刀到順槽里，將煤壁完全割透；2）刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在順槽里，其維護(hù)空間比在工作面充裕很多，十分便于設(shè)備的后期檢修及備件更換。

如圖8所示，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置推移部設(shè)計(jì)說(shuō)明：1）刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置推移部作為傳動(dòng)裝置的底座可以完成傳動(dòng)裝置在順槽里推、拉作業(yè)，其主要由推移耳、傳動(dòng)部底座、輔助拉移耳、高度調(diào)節(jié)裝置等組成。2）該推移部整體采用旱船頭尾的結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)順槽底板起伏不平、巖質(zhì)松軟設(shè)備下沉的地質(zhì)條件。3）φ52 mm長(zhǎng)孔、86 mm間距、60 mm板厚均配套ZZ5200/16/28端頭支架推移部十字連接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。為滿(mǎn)足工作面長(zhǎng)度變化而引起的端頭支架在順槽里位置變化，該推移部的推移耳采用多組布置的方式，以進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。同時(shí)，推移耳之間焊接有連接板和加強(qiáng)筋板，進(jìn)一步保證設(shè)備的推移強(qiáng)度。4）刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置推移部增設(shè)有輔助拉移耳。該設(shè)計(jì)是為了保障在發(fā)生順槽底板過(guò)于松軟造成推移部下沉嚴(yán)重或其他突發(fā)情況時(shí)，可以利用絞車(chē)等為動(dòng)力源，通過(guò)拖拽輔助拉移耳，配合端頭支架的前推，順利完成推移部的前移作業(yè)。5）根據(jù)采煤作業(yè)的實(shí)際工況，該推移部還要適應(yīng)采煤工作面采煤高度的不斷變化。為此，在傳動(dòng)部底座上，增設(shè)多組高度為150 mm的高度調(diào)節(jié)裝置，高度調(diào)節(jié)裝置與傳動(dòng)部底座之間以及各高度調(diào)節(jié)裝置間用定位銷(xiāo)和高強(qiáng)螺栓連接，以每檔150 mm進(jìn)行整體高度調(diào)整。6）該裝置焊接時(shí)應(yīng)采取有效措施保證4件推移耳板1的φ52 mm孔的同軸度。7）所有焊縫均為連續(xù)焊縫，焊縫高度為薄板厚度的0.6～0.8倍。

圖8 機(jī)頭推移部設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有煤礦“高檔普采”工作面，通過(guò)對(duì)礦方原有刮板輸送機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造及投產(chǎn)應(yīng)用，順利將回采工作面裝備由“高檔普采”更換為“綜采”。在設(shè)備升級(jí)改造時(shí)，綜合考慮綜采設(shè)備選型，“三機(jī)配套”，對(duì)3種中部槽改造方案進(jìn)行各項(xiàng)對(duì)比及部件受力分析。同時(shí)，項(xiàng)目進(jìn)行綜采工作面機(jī)頭布置方式的論述及刮板輸送機(jī)機(jī)頭推移部設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目通過(guò)上述一系列的設(shè)備改造、優(yōu)化設(shè)計(jì)及投產(chǎn)應(yīng)用，達(dá)到了升級(jí)裝備、提高生產(chǎn)安全性和作業(yè)效率、降低投資成本的目的。