薄煤层采煤机总体方案设计及截割减速器的设计

前言 按煤层赋存的条件，对煤炭的开采可以分为露天开采和地下开采。采煤方法不同，所使用的采煤机械也不同。在地下开采中，我国所采用的采煤方法基本上以走向长壁式方法为主。在走向长壁式采煤方法中，有可以分为前进式、后退式、全部垮落式和填充式等。目前国内外采用这些采煤方法的国家所用采煤机械，绝大多数是滚筒式采煤机、刨煤机和掘进机，只有少数先进的煤矿采用 薄煤层 采煤机等设备。 煤炭是我国的主要能源，煤炭工业为国民经济发展做出了重大贡献。但是煤炭工业面临着许多困难和问题，主要包括产业结构不合理，生产投入不足，劳动条件差等方 面的问题。它在一定程度上解决了这些方面的问题，采煤机械化是最终发展的必然。所以如何提高采煤效率以满足我国现代化建设中迅猛发展的经济对能源的需要就成了十分迫切的要求。 1） 开采顺序和方法 对于倾角 10 以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。 按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占 旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般 100 200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般 6 30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。 2) 生产系统 包括采煤系统、掘进系统、通风系统、排水系统、供电系统、辅助运输系统和安全系统等。 采煤系统包括工作面的落煤、装 煤，将煤由工作面运往井底车场，直到提升至地面。主要井巷包括采煤工作面，采区顺槽、采区上山、水平运输大巷、石门等。主要设备有采煤机、运输机械，支护设备及提升机等。 掘进系统是为了保证生产的持续进行，即在当前生产同时，要开掘出新的工作面、采区及生产水平以备接替。其包括掘进工作面、矸石运至井底车场由副井提升后送至堆放地。薄煤层 采煤机总体方案 设计及截割减速器 的设计 2 主要设备包括掘进、支护、运输、提升等所用的设备以及风动凿岩机、空气压缩机及其管路等。 通风系统由进风井巷、回风井巷、通风机和井下通风设施如风桥、风门等构成。 排水系统 由巷道中的水沟、水仓、水泵峒室、水泵及排水管路组成。 供电系统要求不得中断、以保安全，因此供电电流为双回路，同时进入采区和回风道 的电器设备都必须采用矿用防爆型，防止瓦斯爆炸。 辅助运输系统包括人员上下和材料，设备的运输。 安全系统包括预防瓦斯爆炸、瓦斯突出，以及井下火灾和水灾所需要的救治设备、设施、器材、仪表和监测系统。 3) 采掘工作面 采煤工作面是地下采煤的工作场所，随着采煤的进行，工作面不断向前推进，原来的采场即成为采空区。长壁工作面采煤的工序为破煤、 装煤、运煤、支护及控顶等五项；短壁工作面只有前四个工序。以滚筒式采煤机为主，组成长壁工作面综合机械化设备，可以完成五个主要工序，称为综合机械化采煤，简称综采，此工作面称综采工作面。 掘进工作面是井巷掘进的工作场所，分为岩巷、煤巷和半煤岩巷三种。掘进工序分破岩、装运和支护三项。掘进方法分两种，一为钻爆法，二为使用掘进机。前者应用范围广但机械化程度低，后者包括全断面岩巷掘进机及悬臂式掘进机两种。煤矿一般广泛使用悬臂式掘进机，包括掘进机、转载机、运输机和支护设备共同组成掘进综合机械化，完成三道主要工序， 称为综掘。 4） 采煤机械化分级 按中国煤矿的地质情况及实际生产状况，将机械化分为三级： 普通机械化采煤，简称普采，采煤工作面装有采煤机、可弯曲链板输送机和摩擦式金属支柱、金属顶梁设备，可完成前三工序机械化，但功率较小，一般工作面年产量 15 20万 吨 。 高档普通机械化采煤，简称高档普采。采煤工作面装有采煤机，可弯曲链板输送机，液压支柱和金属顶梁，可使前三工序机械化。由于有液压支柱，因此顶板维护状况良好，支护和控顶虽为手工操作，但劳动强度大为减轻，功率亦较大，年产量为 20 30万 吨 。 1 绪论 内外采煤机械的发展及其现状 采煤机设计模型及手段 可以反应 现代化采掘机械的技术水平；装机总功率 2000引速度达 30m/产能力 2000t/h、截割高度 筒寿命大于 500 万吨；具有建立在微机基础上的智能化监测、监控和保护系统技术；实现交互式人机对话、远程控制，具有工况监测及运行状态显示、数据采集、储存及传输、故障诊断及预警、自动控制、自动调高等多种功能技术；实现液压支架、输送机的信号交流和联动控制等功能及整个工作面自动化技术，井下、地面两级故障诊断及维修管理系统机电一 体化技。 把煤从煤层上截落下来并运出采煤工作面，这个煤炭生产的两个主要工序。使用刮板输送机实现煤的运输，而把煤从煤层截落下来并装入输送机，则是由采煤机来完成。采煤机完成了洛美和装煤的这两个主要工序，就实现了煤炭开采的机械化。 本世纪四十年代初，英国和原苏联相继研制出了链式采煤机。这种采煤机是用截链截煤落煤，在截链上安装被称为截齿的专用截五煤刀具，这种采煤机工作效率低。五十年到初，英国和德国相继研制除了滚筒采煤机。才这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆筒形部件，其上装有截齿，用截煤滚筒实现截煤和装煤。这种采 煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。这种采煤机的两个缺点也是决定它更新的得点使得采煤机不断更新和完善，进入六十年代，英国、德国、法国以及前苏联先后对采煤机的截割滚筒做出两项革命性改进。其一是截煤滚筒可以在使用中调节起高度，完全解决对煤层赋予田间的适用性；第二项是把圆筒形截煤滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒或螺旋滚筒，极大的提高了装煤的效果。这两项改进称为现代化采煤机械的基础。 六十年代以后，刨煤机也有了长足的改进，滑行刨的研制成功，使刨煤机成为与采煤机竞争的采煤机设备。 可调高螺旋滚筒采煤机或刨 煤机与液压支架和可弯曲输送机设备，构成综合机械化采煤设备。使煤炭生产进入高产、高效、安全、和可靠的现代化发展阶段。 从此，综合机械化采煤设备成为各国地下开采煤矿的发展方向。 自七十年代以来，综合机械化采煤设备朝着大功率、遥控、遥测方向发展，其性能日益完善，生产率和可靠性进一步提高。工况自动监测，故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的到应用，现代采煤机已经发展成为高科技机电一体化产品。 薄煤层 采煤机总体方案 设计及截割减速器 的设计 4 我国在地下开采煤矿红应用采煤机械始于五十年代初。当时从苏联引进链式姐妹机和链式联合采煤机，并进行组织 自行生产。由于这种采煤机械生产率低，没能在我国普遍推广使用。六十年代，我国从波兰引进了滚筒式采煤机，并组织自行制造同类机械。七十年代初，我国从英国、德国、波兰和法国等国家大量引进双滚筒可调高采煤机，并组织制造同类型设备，我国开始大规模研制和生产现代化采煤设备。 自七十年代初至今，经过几十年的引进和开发相结合的发展过程，现在我国已经能自行设计和生产适合于各种煤层赋予条件的滚筒式采煤机。为了更好的发展必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。这就要求我们不断开发出技术先进、高效并可靠的新型采煤机，不仅满 足国内生产之需，而且力争打入国际市场。 薄煤层采煤机的分类及其特点 由于受到煤层厚度的限制，薄煤层采煤机分为骑溜子式和爬底板式两类。 骑溜子式采煤机的机身骑在刮板输送机上，并靠其支撑和导向。当电动机功率为 100动机高度 h=350美空间高度至少为 C=140160送机中部槽高度为180190机面高度至少 达到 A=600板下沉厚度以及过机空间高度 Y（通常 Y=90200则骑溜子薄煤层采煤机只能适用于 上的煤层 （小值对单滚筒，大值对双滚筒）。如果电动机功率加大，则电动机高度相应增大，因而最小采高还要加大。 爬底板式采煤机，机身位于机道内，因而机面高度降低，使过煤空间高度及过机空间高度增大（ 240这不仅改善了机器性能，而且可使采煤机在 及薄煤层中工作。采用机身在煤壁侧机道内的爬底板式采煤机的工作面通风断面大，提高了工作的安全性。因此，爬底板采煤机是当前薄煤层采煤机主要的发展方向。 薄煤层采煤机在我国的应用情况 我国薄煤层采煤机的研究始于 60年代。 60 年代初 ,在顿巴斯 我国开始自行研制生产采煤机。这类薄煤层滚筒采煤机主要有 如 1964年生产的 1980年生产的 另外还有 70年代至 80年代初期 ,我国自行研制开发了中小功率薄煤层滚筒采煤机。比较典型的有山东煤研所和淄博矿务局研制的 单滚筒骑输送机采煤机。 采煤机装机功率 100牵引 ,牵引传动方式为液压调速加齿轮减速。牵引力 90引速度 0214m/高 0175 113m、煤质硬度为中硬以下的缓倾斜薄煤层。 80年代 ,我们在引进了德国、英国等采煤机生产技术的基础上 ,自主开发和制造适应我国不同的煤层条件的滚筒式采煤机系列产品 ,并在 90 年代中期初步完成了主导机型 ,由液压牵引采煤机向电牵引采煤机升级换型工作。 1980 年 ,黑龙江煤矿机械研究所和鸡西煤矿机械厂共同开发出 列骑输送机滚筒采煤机 ,其中 双滚筒采煤机 ,性能良好 ,能自开缺口、强度高、工作可靠 ,在我国薄煤层采煤中广泛应用。但是用双滚筒采薄煤层 ,结构较复杂 ,机身又长 ,所以使用不便 ,于是 又生产出更加简化的 单滚筒薄煤层采煤机。 进入 90 年代以来 ,为了满足厚薄煤层薄煤层作为解放层开采矿井的迫切需要 ,并代中厚煤层滚筒采煤机技术 ,1997年 ,由务局、煤科总院上海分院联合研制了 M 50该采用多电机驱动、交流变频调速、无链牵引总装机功率达 450中截割功率 2牵引功率 2 25引力 400引速 6m/用骑输送机布置方式 ,可用于 110 117m 的薄煤层综合机械化工作面。样机于 1997 年 12 月在晋华宫煤矿 9#层 83面投入使用 ,取得了最高月产量 916万 吨 、产量 5300吨 的好成绩。国内几种类型薄煤层采煤情况比较见表。 表 1国几种类型薄煤层采煤机基本情况比较 of s 号 采高范围 /M 牵引力 / 牵引方式 生产年代 120 (液 压 )锚链牵引 70 5 160 (液压 )锚链牵引 70 180 (液压 )锚链牵引 70 350/262 (交流 )齿轮 销轨式无链牵引 80 50 440 (液压 )无链牵引 8050 440 (交流 )无链牵引 90 我国薄煤层采煤机经过 40多年的发展 ,技术已趋成熟。但一个突出的问题是 :目前薄煤层 采煤机总体方案 设计及截割减速器 的设计 6 我国薄煤层采煤机为方便设计 ,在行走机构上均采用中厚煤层采煤机所用的相关参数 ,例如销排节距 ,一般大都采用 126样做虽能保证其正常运行 ,但其强度余量过大。 近几年来 ,我国薄煤层采煤机得到了很大的发展 ,但在质量和 寿命和高新技术应用等方面与国内大型采煤机 ,特别是与国外采煤机相比 ,还存在较大的差距。因此我们还需要进一步的改进和更新。 薄煤层采煤机的优点机器局限性 我国薄煤层资源分布广泛 ,113m 以下煤层可采储量约占全部可采储量的 20%。在一些省、区薄煤层储量比重很大 ,如四川省占 60%,山东省 54%,黑龙江省占 51%,贵州省占 37%。特别是在南方地区 ,有些省份薄煤层净占 50%以上 ,而且薄煤层分布广 ,煤质好。但由于其开采煤层厚度薄 ,与中厚和厚煤层相比 ,薄煤层机械化开采存在着工作条件差 ,设备移动困难 ,煤层厚度变化、 断层等地质构造 ,对薄煤层设备生产性能影响大 ,以及投入产出比高、经济效益不如厚与中厚煤层等特殊问题 ,造成薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。 另外 ,对一些薄、厚煤层并存的煤矿 ,由于薄煤层开采速度缓慢 ,使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采 ,以至影响工作面的正常接替 ,而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源。随着大批煤矿中、厚煤层的资源开采比较多 ,使得资源越来越少 ,所以薄煤层的开采已列入日程。因此 ,研制适合我国实际国情的薄煤层采煤机 ,以适应不同的煤层结构 ,提高薄煤层采煤的工作效率是当务之急。 薄煤层采煤机设 计的目的及意义 在产品的总体方案设计阶段，首先要明确产品必须实现哪些功能，还要明确用户使用产品的各种条件和用户对产品的要求和愿望。然后根据国家的技术经济政策，基于设计能力和产品制造技术水平，从宏观方面考虑所要求的功能。并能实现用户要求的各种结构方案，最后经过技术经济评价，确定一种或两种结构方案继续进行结构设计。因此，通过总体结构的方案设计，不至于使产品结构方案出现大的失误，也不至于从开始设计时就纠缠与具体的结构细节而忽略拉总体结构的合理性，甚至照成设计的返工而浪费时间。在此基础上再对 薄煤层 采煤机的截割部进行 细致设计使其有更高的生产效率 . 对滚筒式采煤机的使用经验表明只有按照“量体裁衣”的原则来设计采煤机，这样的采煤机才能在煤炭开采中满足要求。到本世纪末，我国原煤的产量必须超过十四亿吨。才能满足我国工农业生产发展的需要。为此必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。这就要求我们不断开采出技术先进，高效率并且可靠的新型采煤机，不仅满足过内生产之需，而且力争打入国际市场。 虽然薄煤层采煤机的型号、规格有许多 ,但它的各主要组成部分大同小异，其区别主要在截割机构的传动和截割部上 ,因此合理选择薄煤层采煤机的截割部 的参数，可以改善其工作性能和减少采煤比能耗。选择这个题目就是要进一步熟悉 薄煤层 采煤机各部分的工作原理，对其进行更好的改进，并对它的截割部减速器进行细致分析设计，使其耐用并且省时省力容易装修，使其在工作中能够有更好的经济效益。 薄煤层 采煤机总体方案 设计及截割减速器 的设计 8 2 薄煤层采煤机的总体结构方案的设计 现采煤机基本功能的结构方案设计 用于走向长臂采煤法的采煤机应该具有的如下三种基本功能； （ 1） 把煤从煤煤壁上破碎下来的功能； （ 2）把破碎先来的煤装在工作面输送机上的功能； （ 3）采煤机能沿 着工作面自移的功能； 一、实现破碎煤壁功能结构方案 1、铣削式结构方案 在鼓形滚筒的表面或在旋转滚筒的叶片上安装截齿，滚筒随采煤机前移并自转，截齿便用铣削的方式把煤从煤壁上截割下来，这就是铣削式结构。 具体分为侧铣和端铣两种，侧铣方式中螺旋滚筒结构应用最普遍，其主要优点是它不仅能实现截落煤的功能还能实现装煤的功能；水平旋转轴调整滚筒高度方便，对不同的煤层厚度的适应性好；具有自开缺口的功能等。端铣式结构是在齿冠外侧安装大截齿当齿冠自转并随采煤机移动时，截齿实现破煤功能。这种结构的特点是截齿安装的比较 少， 煤的块度大，机器能耗小；实现简单，制造容易；负荷变化大，机器动特性较差。 图 2 图 2直轴滚筒结构 图 2、钻削式结构方案 钻削式结构在唤醒悬臂的前端安装截齿，这种悬臂的内表面上也安装有截齿。这种结构被称为钻削头，悬臂则被成为钻削臂。当钻削头自转并沿其轴线方向推进时，首先在煤层中由钻削头截割出现截槽，而此环形槽所围成的柱状煤体则被钻削头内的截齿所破碎。这种结构的优点是结构简单，制造方便；集落煤和装煤功能于一体；煤的坡度大，机器能耗低。其缺点是这种结构应布置于采煤机的端面，机身必沿其钻削出的空间前进，因此，机身长；这种结构不能自开缺口；为使地板平整还必须配有截割盘 ，沿顶板和地板截割煤层，因此使整个机器复杂化；此外这种结构对煤层厚度的适应性小。 3、滚压式结构方案 滚压式破煤结构是在螺旋筒的旋叶上和滚筒端面安装滚演盘刀当 ,当滚筒前移并自转时，盘刀压向煤壁，其刃部的挤压和剪切作用达到破没的目的。这种结构的优点在于，彩霞煤的块度大，煤尘明显低；机器能耗小；盘刀寿命长。缺点在于机构复杂，成本高。 采煤机的落煤功能是采煤机的第一功功能，因此，现在把既有落煤功能的结构称为采煤机的工作机构。在采煤机的设计中，工作机构设计的合适与否，对采煤机的工作占有举足轻重的地位。 二、实现装煤 功能的设计方案 把煤从煤壁上破碎下来以后，还要装在工作面输送机里运到工作面之外。实现扎中装煤功能的机构与落煤结构的种类有关。经过淘汰和筛选，只有两种类型的装煤结构被广泛薄煤层 采煤机总体方案 设计及截割减速器 的设计 10 应用。 一种是与落煤结构相结合，不仅具有落煤功能而且兼有装煤的功能。比如，螺旋滚筒式工作机构，采煤下来的碎煤被螺旋叶片自煤壁向采空区方向输送，并装到工作面输送机里。另一种是专门用于装煤的机构，如装煤犁，这是一种斜面结构 , 和犁地的犁一般，被单独的牵引机构牵引，在工作面往返运行，把碎落在底板上的煤装入输送机里。这种结构往往与没有装煤功能的工作机 构配合。 三、实现采煤机自动移动功能的结构方案 采煤机沿工作面移动被称为牵引，能使采煤机实现自移的结构有称作牵引机构。现在广泛应用的牵引机构可以分为两大类；既链牵引机构和无链牵引。 1、 链牵引机构 链牵引机构是由圆环链、链轮、和紧链装置组成。牵引链的两端固定在紧链装置上，并与采煤机的链轮啮合。当链轮装动时，由于链轮与圆环链的啮合作用，采煤机便沿牵引链移动。 图 2牵引机构 、无链牵引机构 随着采煤机功率的不断加大，采煤机 的总装机容量已超过 1000引链中的拉力也已增至 400此牵引链机构已限制了采煤机功率的提高。无链牵引机构就随之产生和发展起来了。无链牵引机构种类繁多，大体上可归纳为三类；主动轮 齿条、闭合链 齿条和迈步油缸推进三类。其中主动轮 齿条无链牵引系统应用最广。 现采煤机辅助功能的结构方案 只具有基本功能的采煤机，能勉强完成在工作面破落煤壁和装煤的任务。在实际中还1 要使用到一些辅助功能，有；适应煤层赋存状况变化的功能、降尘和冷却设备功能、自动托卷电缆功能等。 一、实现适应煤层赋存状况变 化功能的机构方案 煤层在地下赋存状态的变化概括起来有三种；煤层厚度的变化、煤层走向波浪起伏以及存在断层、煤层相对于水平面倾角的变化。 1、实现适应煤层厚度变化的功能的结构方案 当煤层厚度随时变化时，两个滚筒的工作高度应当变化，这就需要实现能适应煤层厚度变化的功能的结构，这种结构称为采煤机的调高装置。 2、适应煤层沿走向波浪起伏以及存在的断层的功能的结构方案 采煤机在采空区安装有调斜油缸，采空区侧的滑靴安装在活塞杆上。活塞杆伸缩就改变饿采煤机的倾斜角度。这种结构实现调斜功能得到普遍应用。 3、具有开采大倾角煤 层功能的结构方案 当采煤工作面倾角大于 10 ，一旦及其牵引部失灵，采煤机有可能下滑，具体防滑装置有： （ 1）抱闸式防滑装置 （ 2）盘式制动器防滑装置 （ 3）辅助牵引与防滑绞车 二、实现降尘和冷却功能的结构 1、实现降尘功能的方案 采煤机的滚筒在截割煤壁的同时，产生的煤尘严重污染井下空气，威胁工人身体健康。因此降尘是采煤机的重要辅助功能。 降尘措施有很多种，归纳起来有； （ 1）提高采煤机牵引速度，降低截煤滚筒的转速，增大碎煤块度，能明显降低煤尘。 （ 2）滚筒轴垂直于采煤机机面，即采用立滚筒，使截齿沿煤层层理截 割，也能降低煤尘 （ 3）在可能条件下，减少滚筒上安装截齿的数量增大碎煤的