杨芸
(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 201401)
摘要：针对薄煤层采煤机和厚煤层采煤机发展现状存在的问题，结合采煤机的发展趋势，指出了采煤机研究方向：提高采煤机行走系统和摇臂行星机构等关键部件可靠性；加强前沿技术和基础理论研究；预研新型结构采煤机。
关键词：煤炭开采； 采煤机； 薄煤层采煤机； 厚煤层采煤机
采煤机在煤炭行业黄金十年得到快速发展，对高产高效矿井综采工作面的发展起到了重要推动作用。采煤机适用范围从薄煤层发展到厚煤层，装机功率从238 kW发展到2 300 kW甚至3 000 kW，采高从0.8 m发展到6.3 m甚至7 m以上[1]。然而随着煤炭地质条件越来越复杂，采煤机发展面临新的挑战。本文分析了目前采煤机存在的问题及发展趋势，提出了采煤机技术进一步研究方向，旨在为推动采煤机的发展提供参考。
1.1 薄煤层采煤机
薄煤层采煤机机械化开采受以下地质条件制约：① 空间受限，工作条件差；② 煤层厚度变化、断层等地质构造对薄煤层采煤机生产性能影响大[2]。为了适应不同地质条件及满足最低采高等要求，需要尽量减小薄煤层采煤机部件结构尺寸，但部件结构尺寸减小会导致某些零件可靠性降低。可靠性要求与适应性要求的相互制约，是造成薄煤层采煤机技术发展速度相对缓慢的主要原因。薄煤层采煤机的主要技术现状：
(1) 为了降低机面高度、增大过煤空间，薄煤层采煤机总体结构方式主要有以下3种：① 将机身主传动部分布置在刮板输送机中部槽外煤壁侧的爬底板结构方式。采用该结构方式的采煤机如国内第一代薄煤层采煤机——MG344-PWD型爬底板采煤机及MG180/420-WD型采煤机。该结构方式可消除截割电动机及传动系统尺寸对机面高度的影响，但爬底板采煤机对地质条件要求较高，使用范围有较大局限性，近年来新推出的机型较少。② 将摇臂截割电动机布置在煤壁侧，其他部分布置在刮板输送机中部槽上方的结构方式。采用该结构方式的采煤机如MG200/446-WD型采煤机。该结构方式可改善爬底板采煤机对地质条件要求高的问题。摇臂在采空侧壳体可压薄，以免影响机面高度与过煤空间，采煤机机身厚度由牵引电动机尺寸所决定，一般来讲，牵引电动机尺寸比截割电动机小，有利于增大装机功率和降低机面高度。然而该结构方式有两大局限：一是采煤机重心位于煤壁侧，偏出了支撑滑靴，导致采煤机在运行过程中稳定性较差，行走系统受力情况恶劣，易出现故障；二是采煤机处于俯采状态或工作面底板较软时，采煤机机身易失稳而向前倾倒，运行稳定性差[3]。③ 将各主要部件(如牵引电动机、牵引传动系统及截割电动机)均布置在刮板输送机中部槽上方的常规结构方式。比较典型的如MG2×100/456-WD型薄煤层采煤机。采煤机截割部采用双电动机联合驱动，这样可在摇臂相同厚度的条件下，成倍提高截割功率，有效解决薄煤层采煤机装机功率、机面高度和过煤空间三者之间的矛盾[3]。该结构方式布局合理，被广泛应用于现有采煤机中，是目前最成熟的采煤机结构。但对于大功率薄煤层采煤机，该结构方式存在两大不足：一是由于牵引电动机和牵引传动系统尺寸的限制，采煤机机身厚度很难减小，在机面高度较低的情况下，过煤空间较小；二是各厂家配置的截割功率均较大，即使采用双电动机结构，截割电动机筒体直径亦较大，从而直接影响采煤机的有效过煤空间，同时截割电动机筒体与槽帮距离较近，加之配套滚筒直径小，会严重影响在刮板输送机机头和机尾处的卧底量。
(2) 薄煤层采煤机在满足采高要求情况下，装机功率越来越大[4-6]。在同样的工作面条件下，为了增加煤炭日产量，使采煤机具备较强的破岩能力，对采煤机的装机功率提出较高要求，以提高采煤机的开机率。如同样满足采高范围1.2～2.2 m煤层条件下，先后有MG2X100/456-WD、MG2X125/556-WD、MG2X160/710-WD、MG2X200/890-WD型薄煤层采煤机，对应装机功率分别为456，556，710，890 kW，装机功率越来越大。
(3) 薄煤层采煤机普遍存在装煤效果差的问题。无论滚筒是内旋还是外旋割煤，薄煤层采煤机采高低、滚筒直径比较小，是导致采煤机装煤效果差的重要原因之一[7-9]。另外，摇臂下面的装煤口小，也是导致采煤机滚筒外旋装煤效果差的原因之一。
1.2 厚煤层采煤机
煤矿综采工作面由年产百万吨向年产千万吨的高产高效方向发展，而采高是制约煤炭产量的主要因素之一。因此，厚煤层采煤机需要满足大采高要求。国内成熟的采煤机采高可达6.6 m，可靠性较高，实际采高达7 m的还未有成熟案例；进口采煤机在神华神东煤炭集团有限责任公司等有采高达7 m以上的成熟案例，2016年4月，兖矿集团金鸡滩煤矿地面联合调试最大采高达8.2 m，这是国内已知综采工作面一次采全高最大的煤矿。目前厚煤层采煤机型式主要是双滚筒电牵引采煤机[10]，由于设计理念和技术不同，国内外采煤机较大区别在于采煤机摇臂调高油缸的布置。国内采煤机主要是油缸下置，如MG1000/2540-GWD型采煤机；国外采煤机在大采高方面是油缸上置，如艾柯夫SL1000、JOY7LS7/JOY7LS8型采煤机。厚煤层采煤机的主要技术现状：
(1) 随着采煤机开采煤层厚度的增加，摇臂滚筒工作时受到很大的径向力与轴向力，同时机面高度增加较多，采煤机重心较高并偏向于煤壁侧，整机工作稳定性差，导致采煤机零部件可靠性变差，如牵引行走系统过早失效、摇臂行星头故障频发和液压系统零部件(如平衡阀)频繁损坏等。
(2) 随着采高增大，采煤机截割功率和滚筒直径随之增大，同时为了满足采煤机工作时较大受力强度要求，铸造壳体质量需要大幅增加，导致整机质量达150～200 t，如JOY7LS8型采煤机整机质量达182 t。牵引系统要克服较大的空载阻力，采煤机割煤时还要克服工作阻力，特别是在刮板输送机机头、机尾爬坡阶段，采煤机有效牵引力严重不足[11]。
(3) 由于厚煤层采煤机机身重，采煤机工作阻力大，行走轮与销排啮合受力较大，行走轮齿形磨损严重，影响寿命。另外，采煤机机身质量的大幅增加，导致导向滑靴及支撑滑靴的耐摩层所承受重力与其面积的比值大大增加，耐磨层磨损加快[12]。
(1) 采煤机向“两头”(极薄、特厚煤层)方向发展。薄煤层采煤机朝着采高1 m以下甚至0.7 m的方向发展。装机功率、机面高度和过煤空间三者之间的矛盾是研制大功率薄煤层采煤机的主要技术难题[13]，因此研发新结构和新技术的采煤机仍是一条有效途径，如新型高效电动机摇臂的薄煤层采煤机、四滚筒薄煤层采煤机等。厚煤层采煤机朝着采高7～7.5 m甚至8 m的方向发展，有效解决采高、机面高度和机身质量三者之间的矛盾是研制大功率厚煤层采煤机的技术关键。
(2) 采煤机向自动化、智能化方向发展[14]。采煤机运行自动化是提升工作面开采效率、降低工人劳动强度、提高煤矿安全生产水平的主要技术途径。采煤机的自动化与智能化核心要素是滚筒采高控制、行走位置控制、与配套设备的协同运行控制、采煤机自身工况及故障监测等。
(3) 采煤机向高速、高可靠性方向发展。在同等采高等工作面参数情况下，产量要求越来越高，因此对采煤机的牵引速度提出了要求。针对同系列采煤机，通过改变传动系统的传动比来提高牵引速度。同时，由于牵引速度的提高，采煤机受力增大，关键零件的使用寿命降低，可靠性遇到了挑战。在目前采煤机市场增量萎缩、煤炭形势疲软的情况下，应充分抓住存量采煤机的市场，进行部件改造或替换，满足高速、高可靠性需求。
针对采煤机发展现状存在的问题及采煤机发展方向需要满足的要求，结合采煤机设计经验，应从以下角度进行采煤机技术研究：
(1) 提高采煤机行走系统和摇臂行星机构等关键部件可靠性。原来煤矿工作面倾角较小，煤层赋存条件好，煤质较软，夹矸少，对采煤机的可靠性要求不高。现在综采工作面工况越来越复杂：一是工作面倾角越来越大，且存在仰采、俯采情况，对采煤机牵引行走系统和四象限变频反馈制动系统的可靠性要求越来越高；二是有些煤矿工作面夹矸含量较多，煤的普氏系数f>4，这对采煤机摇臂行星机构、传动系统的可靠性与滚筒截齿的耐磨性等提出了更高的要求。
(2) 加强前沿技术和基础理论研究。通过进口采煤机国产化替代，不断消化、吸收进口采煤机技术和设计理念，在不断自主创新的基础上对关键技术和理论进行研究，挖掘国内丰富的综采工作面大数据，对涉及采煤机技术发展的重要瓶颈进行突破，如涉及采煤机自动化、智能化方向的采煤机煤岩界面自动识别和采煤机故障诊断预警技术[15]，高强度摇臂壳体材料的选用和热处理工艺，大采高采煤机整机动力学研究、滚筒参数对装煤性能的影响等。
(3) 预研新型结构采煤机。为满足煤矿复杂的地质要求和采高需求，从摇臂截割形式、牵引行走系统、油缸布置方式等角度对采煤机各部件进行创新。对采煤机整机结构进行新型设计，使其适应综采工作面或新型采煤工艺的发展要求。
在目前煤炭行业形势严峻、煤矿地质条件更加复杂的情况下，根据采煤机发展现状和面临的问题，结合当前采煤机的发展趋势，指出提高采煤机关键部件可靠性、加强前沿技术和基础理论研究、预研新型结构采煤机，才能推动采煤机技术的进一步发展。
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YANG Yun
(Shanghai Branch, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 201401, China)
Abstract：According to problems existed in development status of thin seam shearer and thick seam shearer, research directions of shearer technology were put forward combing with development trend of shearer, which were improving reliability of key components such as shearer haulage system and ranging arm planetary mechanism, strengthening research of advanced technology and basic theory and studying shearer with new structure in advance.
Key words：coal mining; shearer; thin seam shearer; thick seam shearer
文章编号：1671-251X(2017)01-0026-03
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.01.007
收稿日期：2016-10-19；
修回日期：2016-11-23；责任编辑：盛男。
基金项目：天地科技股份有限公司上海分公司重大技术改进项目(TDSH2016-05)。
作者简介：杨芸(1987-)，女，江苏滨海人，工程师，从事采煤机设计相关工作，E-mail:sunny-yunyo@hotmail.com。
中图分类号：TD421.6/67
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-12-30 09:39
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.tp.20161230.0939.007.html
杨芸.采煤机现状与发展[J].工矿自动化，2017,43(1)：26-28.