8.8m特厚煤层采煤机改造设计与受力分析.pdf

doi 10. 11799/ ce202006002 收稿日期 2020-02-15 作者简介 原长锁1969, 男, 陕西蒲城人, 硕士, 高级工程师, 现从事机电信息研发工作, E-mail 1067193487qq. com。 引用格式 原长锁, 贠瑞光. 8. 8m 特厚煤层采煤机改造设计与受力分析 [J]. 煤炭工程, 2020, 526 6-9. 8. 8m 特厚煤层采煤机改造设计与受力分析 原长锁1, 贠瑞光2 1. 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 技术研究院, 陕西 神木 719315; 2. 天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030 摘 要 为了快速解决 8. 8m 特厚煤层开采问题, 研究确定了进口 7LS8 采煤机升级改造增大采 高的可行性。 通过分析 7LS8 采煤机原机型的技术特征, 优化机身高度、 摇臂长度及其摆动幅度、 滚筒直径, 制定了 7LS8 采煤机升级改造方案。 针对升级改造后采高与负载以及整机重量大幅增加、 原机型关键零部件自身强度与联接强度偏薄弱的突出问题, 提出了 8. 8m 特厚煤层采煤机受力分析 模型并求解, 建立三维模型对整机关键零部件进行强度校核计算, 制定了相关零部件结构优化与加 固方案。 样机工业性试验取得了成功, 为后续特厚煤层采煤机研制打下了良好技术基础。 关键词 8. 8m 特厚煤层采煤机; 改造设计; 受力分析与求解; 结构优化与加固 中图分类号 TD421. 6 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202006-0006-04 Reation design and stress analysis of the shearer in 8. 8m extra-thick coal seam YUAN Chang-suo1, YUN Rui-guang2 1. National Energy Group Shendong Coal Group Corporation, Shenmu 719315, China; 2. Shanghai Branch, Tiandi Science and Technology Co. , Ltd. , Shanghai 200030, China Abstract Aiming at the mining problem of 8. 8m extra-thick coal seam, the feasibility of increasing mining height of 7LS8 shearer is verified. Through analyzing the technical characteristics of the original 7LS8 shearer, and optimizing the shearer height, the length of rocker arm and its swing amplitude, and the drum diameter, the reation scheme for 7LS8 shearer is ulated. In view of the prominent problems such as the large increase of mining height, load and the machine weight, and the inadequate strength of the key parts and the connection, a stress analysis model of 8. 8m extra-thick coal seam shearer is put forward and solved. A 3D model is built to check the strength of the key parts, and these parts’ structural optimization and reinforcement scheme are ulated.The prototype industrial test is successful, and achievements in this paper will provide technical references for future design of shearers in extra-thick coal seam. Keywords shearer for 8. 8m extra-thick coal seam; reation design; stress analysis and solution; structural optimization and reinforcement 针对分层开采效率低、 放顶煤开采造成资源浪 费等问题[1-4], 神东煤炭集团决定采用一次性采全 高的开采方式开采 8. 8m 特厚煤层。 经调研, 国内外 综采工作面实现的一次采全高最大记录为 8. 0m[5-7], 未有最大采高达 8. 8m 的报道。 研究发现, 神东煤炭 集团以往进口的 7. 0m 采高 7LS8 采煤机, 通过升级 改造, 最大采高可达 8. 8m。 7LS8 采煤机的最大采高由 7. 0m 增大到 8. 8m 后, 整机重量与负载将发生明显变化, 如何保证升 级改造后设备各零部件及其联接的强度和可靠性, 是本研究成败的关键。 从分析 7LS8 原机型技术特征 入手, 制定整机采高升级方案, 建立 8. 8m 特厚煤层 采煤机整机受力模型并求解, 根据求解结果对相关 零部件及其联接强度进行改进与加强, 从而保证升 级改造后设备的使用可靠性。 1 7LS8 采煤机原机型主要技术特征 JOY 公司生产的 7LS8 采煤机主要技术特征 6 第52卷第6期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 6 如下[8] 1 总装机功率 2925kW, 其中截割功率 2 1100kW, 牵引功率 2200kW, 破碎功率 270kW, 泵 站功率 55kW。 滚筒转速 25. 7r/ min, 重载牵引速度 017. 7m/ min, 重载牵引力 1180kN, 整机重量约 202t。 配套 SGZ1400 刮板输送机, 机身高度含顶护 板约 3700mm, 最大采高约 7. 0m。 2 整机主要由左右截割部、 破碎机构、 左右牵 引箱、 左右牵引块、 电控箱、 左右支撑组件、 泵站 调高系统、 喷雾冷却系统、 顶护板、 拖缆装置等 组成。 3 机身采用三段式结构, 每两段之间采用销轴 定位、 采用螺栓副进行联接, 机身三段之间没有共 用的联接副。 摇臂与机身之间采用锥形销轴铰接结 构, 通过机身上置式调高油缸, 实现摇臂的升降 功能。 4 摇臂总成采用分体式直摇臂结构, 摇臂本体 可左右互换; 通过配置多级惰轮, 实现摇臂长度的 调节、 传动运动与动力的作用。 牵引块采用一级惰 轮结构, 链轮节距 172mm。 支撑组件采用分体框架 式焊接结构, 可配置调斜油缸, 方便配置不同刮板 机输送机时配套件的设计和采煤机位姿的调整。 5 除摇臂壳体采用铸件外, 破碎机壳体、 牵引 箱壳体、 外牵引块壳体、 支撑组件、 电控箱壳体等 大型结构件均采用高强度板材焊接结构。 2 7LS8 采煤机采高升级方案 2. 1 采高与中部卧底量影响因素分析 长壁滚筒式采煤机最大采高和中部卧底量的计 算公式为[9] Hmax h Lsinαmax D/21 Smax D/2 - h Lsinβmax2 式中, Hmax为采煤机的最大采高, mm; Smax为 采煤机的最大中部卧底量, mm; h 为摇臂与机身铰 接中心的高度, mm; L 为摇臂的长度, mm; αmax为 摇臂的最大上摆角, ; βmax为摇臂的最大下摆 角, ; D 为滚筒的直径, mm。 由式1与式2可知, 采煤机的最大采高、 中 部卧底量, 主要与摇臂和机身铰接中心高度、 摇臂 长度及其摆动范围和滚筒直径大小有关。 因此, 制 定 7LS8 采煤机采高升级方案, 须从以上因素进行 研究。 2. 2 7SL8 采煤机升级改造方案 根据具体煤层地质条件与 7LS8 采煤机相关技术 参数对比计算结果, 7LS8 采煤机在升级改造过程 中, 各部件的功率无需增大; 通过变更相关部件的 调速齿轮、 改进动力学参数输出, 即可满足 8. 8m 特 厚煤层的开采需要。 根据大功率厚煤层采煤机的设 计经验[10,11], 制定 7LS8 采煤机增大采高的初步 方案 1 根据滚筒与采高的关系, 将滚筒直径由 3500mm 增大为 4300mm[12]。 2 牵引块重新设计制造, 在高度方向增加一组 与原牵引块相同的惰轮组件, 支撑组件相应加高, 将摇臂与机身铰接中心的高度提升约 520mm。 3 通过增加两组与原摇臂相同的惰轮组件, 将 摇臂加长约 680mm。 4 根据对调高油缸工作压力的校核结果和液压 油的流量大小, 将调高油缸内外径分别增大 50mm, 并对其闭锁装置进行了选型; 根据摇臂需要摆动的 角度, 确定将调高油缸的基本长度和行程均增 大 10mm。 3 8. 8m 特厚煤层采煤机受力分析与求解 3. 1 8. 8m 特厚煤层采煤机受力分析 针对神东煤炭集团 8. 8m 特厚煤层采煤机待开采 的近水平工作面条件, 本文不再考虑由于工作面倾 角或俯仰采角度造成的相关力。 升级改造后的 8. 8m 特厚煤层采煤机整机受力分析如图 1 所示, 主要包 含以下 5 个方面的力[13-16] 图 1 8. 8m 特厚煤层采煤机整机受力分析 1 前后滚筒受到的截割反力 FY1与 FY2、 推进 反力 FX1与 FX2、 轴向力 FZ1与 FZ2以及受到煤壁摩 擦力 μFZ1与 μFZ1。 2 左右导向滑靴受到销排的支撑力 FD1与 FD2、 侧向压力 FM1与 FM2以及由二者产生的相应摩擦力 μ FD1 F M1和 μFD2 F M2。 7 2020 年第 6 期 煤 炭 工 程 专题论坛 3 左右链轮受到销排的啮合反力 FQ1与 FQ2。 4 支撑滑靴受到铲煤板的支撑力 FC1与 FC2及 相应摩擦力 μFC1与 μFC2。 5 采煤机自身的重力 G。 按采煤机牵引行走方向, 滚筒的转向与各力的 方向亦如图 1 所示。 以上各力中, 滚筒受到的各力、 链轮与销排啮合反力、 采煤机自身的重力为已知力, 其它力为待求解力。 3. 2 8. 8m 特厚煤层采煤机受力求解方法 以采煤机重心为坐标原点, 建立空间坐标系 O- XYZ。 坐标轴 X 方向为采煤机行走割煤方向, Y 方 向指向顶板, Z 方向垂直于煤壁并指向采空侧。 根 据整机受力分析情况和力学平衡原理 ΣFX 0; ΣFY 0; ΣFZ 0 3 ΣFXOY 0; ΣFXOZ 0; ΣFYOZ 0 4 式中, ΣFX、 ΣFY、 ΣFZ为分别为沿 X、 Y 与 Z 坐 标轴方向的所有力之和, N; ΣFXOY、 ΣFXOZ、 ΣFYOZ为 分别为 XOY、 XOZ 与 YOZ 平面内的力矩之和, Nm。 为校核 8. 8m 特厚煤层采煤机的极限受载状态, 滚筒的截割负载、 链轮的牵引负载均按满载等最为 恶劣情况计算。 将已知的各力代入式3与式4, 通过建立状态方程, 并利用 Matlab 编程求解的方 法[17], 可就得前后导向滑靴、 支撑滑靴受到的 6 个 支撑力或正压力 FD1、 FM1、 FD2、 FM2、 FC1与 FC2。 4 8. 8m 特厚煤层采煤机相关零部件强度校 核、 强度优化 4. 1 特厚煤层采煤机关键零部件强度校核 得出整机的具体受力情况后, 为了对关键零部 件的强度进行校核, 首先建立相关零部件三维简化 模型; 其次在涉及到欲校核的具体零部件时, 需选 定合适的分解结构; 最后将相关三维模型导入有限 元分析软件, 设定约束和负载、 划分网格, 进行有 限元强度校核[18-20]。 以左牵引箱壳体为例, 介绍本次关键零部件强 度校核过程。 首先建立相关整机三维模型, 以左牵 引壳体与电控箱对接面为边界, 将采煤机分为两个 部分, 取左牵引箱壳体所在部分为研究对象; 将此 部分导入有限元分析软件中, 将其已知受力 FX1、 FY1、 FZ1、 μFZ1、 FM1、 FD1、 μ FD1 F M1、 FC1、 μFC1、 FQ1以及此部分重力 G1输入, 将左牵引箱壳 体与电控箱壳体对接面作为约束面, 如图 2 所示。 划分网格、 求解后即可得到左牵引箱壳体的负载应 力云图, 如图 3 所示。 按此方法, 亦可对摇臂壳体、 牵引块壳体、 支撑架、 导向滑靴、 支撑滑靴、 链轮 及其轴等关键零件以及部件间的联接件等进行强度 校核计算。 图 2 左牵引壳体强度校核三维模型 图 3 左牵引壳体强度校核结果 对 8. 8m 特厚煤层采煤机升级改造过程中的关键 零部件强度校核发现 1 摇臂加长、 截割负载与滚筒重量增大后, 摇 臂壳体的工作负载相对改造前增加较多, 须采取措 施保证摇臂壳体的强度和承载能力。 2 滚筒与摇臂重量以及截割负载增加后, 原调 高油缸升降截割部的能力不足, 须进行加强。 3 整机重量与负载增大后, 一些关键部件间的 联接强度相对改造前明显偏弱, 须加强。 4. 2 特厚煤层采煤机结构优化与加固 针对 8. 8m 特厚煤层采煤机升级改造过程中部分 关键零部件强度偏弱的问题, 主要采取以下结构优 化与加固措施 1 优化了摇臂壳体壁厚和关键横断面结构尺 寸, 微调了摇臂壳体材质中的合金成分比例和热处 理工艺参数, 使摇臂壳体同时具有足够的强度、 刚 性和较好的韧性。 2 将调高油缸缸体内外径、 活塞杆直径分别由 450mm、551mm 与225mm 增大到500mm、 600mm 与 240mm, 并根据采高与机头、 机尾卧底 量需要, 调整了调高油缸的基本长度和行程。 对左 右牵引箱壳体进行了相关改造, 保证左右牵引箱壳 体与外径增大后的调高油缸不存在干涉问题。 3 将左右牵引箱与电控箱间的定位销轴直径和 长度分别由 2-152mm 与 50mm 增大为 2- 200mm 8 专题论坛 煤 炭 工 程 2020 年第 6 期 与 80mm, 并在机身三段之间上侧和下侧分别增加 2 组 M724 的液压螺母、 高强度螺杆连接副, 增加机 身三段间的联接强度和整体刚性。 除此之外, 还增 强了牵引块、 支撑组件、 调高油缸与机身间的联接 强度。 4 对于4300mm 滚筒, 优选筒体、 端盘与叶 片材质, 优化其结构和热处理工艺, 着重增强叶片 出煤口处的耐磨措施, 既保证滚筒的强度、 耐磨性, 同时将单个滚筒重量控制在 16. 2t 以内, 尽可能降 低摇臂与调高油缸负载, 提高二者的使用可靠性。 5 将导向滑靴与支撑滑靴分别由铸造结构、 焊 接结构改进为锻焊结构和整体锻造结构, 优化二者 耐磨层的尺寸, 增大二者与各自所属组件的联接强 度, 提高了导向滑靴、 支撑滑靴的强度、 适应性, 延长其使用寿命。 5 工业性试验 2018 年 3 月下旬, 该项目改造研制的 MG1100/ 2925-WD 型 8. 8m 特厚煤层采煤机, 在神东煤炭集 团上湾煤矿 12041 综采工作面开始进行工业性试验, 如图 4 所示。 12041 工作面煤层较为稳定, 为近水平 煤层, 煤质硬度 f 23; 工作面倾斜长度 299. 2m, 推进长度 5254. 8m, 设计采高 8. 6m, 总储量 1754. 6 万 t。 截止到 2019 年 3 月底, 共产原煤 1300 多万 t, 创造了一次采全高综采工作面最高月产 146 万 t、 最 高日产 5. 84 万 t 世界新纪录。 项目新研制的摇臂、 滚筒、 牵引块、 支撑组件、 调高油缸等均达到了预 期过煤量要求, 整机结构优化与加固方案满足了现 场使用要求。 图 4 8. 8m 特厚煤层采煤机现场工业性试验 6 结 论 1 创新提出的整机受力分析模型与求解方法是 准确的, 能够指导采煤机的设计工作, 具有较好的 推广应用价值。 2 制定的 8. 8m 特厚煤层采煤机改造设计方 案、 对关键零部件结构优化与加固方案是切实、 有 效的, 为后续厚与特厚煤层采煤机的研制提供了技 术借鉴。 3 对存在潜力可挖的采煤机, 通过升级改造方 式, 拓展其适用性, 既可快速响应现场使用需求, 又能节省备件存储等运营成本, 是一条较好的设备 获取途径。 参考文献 [1] 田治国. 煤矿综合机械化开采技术的应用与及发展 [J]. 机 械管理开发, 20172 113-115. 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