張亮軍

（西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

在特厚煤層大采高放頂煤開(kāi)采中由于煤層厚度較大，放頂煤高度較高，采煤過(guò)程中大塊煤炭更容易發(fā)生垮落，從而致使工作面液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)以及相關(guān)管路等受到碰撞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。此外在對(duì)大塊煤炭進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，由于體積較大，經(jīng)常會(huì)在轉(zhuǎn)載機(jī)以及破碎機(jī)入口處發(fā)生堵塞，阻礙了運(yùn)輸系統(tǒng)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。目前隨著井下開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，工作面前部的大塊煤炭在開(kāi)采時(shí)直接通過(guò)采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行了破碎，而后部的煤炭則在支架插板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)下得以破碎，即便如此，仍然有大量的煤塊無(wú)法得到及時(shí)破碎，只能由井下的工人進(jìn)行手工破碎，這極大地影響了井下生產(chǎn)的高效進(jìn)行，增加了工人作業(yè)危險(xiǎn)性，因此為了提高破碎煤塊的效率，實(shí)現(xiàn)煤礦的高效生產(chǎn)，緩解工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)煤礦綜采工作面大塊煤破碎裝置進(jìn)行了研制設(shè)計(jì)。

1 大塊煤破碎裝置研制設(shè)計(jì)

1.1 大塊煤破碎裝置安裝位置的設(shè)計(jì)

在以往的設(shè)計(jì)研究中，大塊煤破碎裝置的安裝位置一般分別在刮板轉(zhuǎn)載機(jī)附近、皮帶運(yùn)輸機(jī)中部槽上以及采煤機(jī)上，雖然將破碎裝置合理安裝在這3個(gè)位置可以解決煤炭破碎的問(wèn)題，但是由于工作面最容易發(fā)生煤炭擁堵的地方在其他位置，因此需要對(duì)大塊煤破碎裝置的安裝位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和選擇。從礦井長(zhǎng)期的生產(chǎn)情況來(lái)看，當(dāng)工作面煤壁上的煤發(fā)生片幫時(shí)，所垮落下來(lái)的煤炭通常會(huì)掉落到刮板運(yùn)輸機(jī)上，然后經(jīng)由刮板鏈運(yùn)輸?shù)綑C(jī)頭，在機(jī)頭位置處卸載，并將其卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)上，由于轉(zhuǎn)載機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)成直角形狀布置，因此當(dāng)體積較大的煤塊通過(guò)此交叉位置時(shí)，最容易發(fā)生煤炭的擁堵，因此必須在煤炭達(dá)到該位置之前將其破碎掉，同時(shí)若冒落下來(lái)的煤炭滾到了運(yùn)行的前方位置，則破碎裝置有可能無(wú)法對(duì)煤塊進(jìn)行破碎，故破碎裝置應(yīng)盡可能靠近刮板輸送機(jī)的機(jī)頭側(cè)。因此，基于礦井的實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)輸情況，大塊煤破碎裝置的最佳安裝位置為靠近刮板輸送機(jī)機(jī)頭架附近的中部槽上，該位置高度較低，安裝方便，便于工人進(jìn)行操作，且不會(huì)影響工作面其他機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行[1-2]。

1.2 大塊煤破碎裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦井下的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，在設(shè)計(jì)制造大塊煤破碎裝置時(shí)需要考慮的因素較多，比如工作面的開(kāi)采高度、巷道的寬度、工作面的三機(jī)配套設(shè)施、刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)以及整個(gè)工作面的空間大小等，這些都會(huì)對(duì)大塊煤破碎裝置的設(shè)計(jì)造成影響，因此為了更好地保證煤炭破碎裝置的效率，結(jié)合上述影響因素，將該破碎裝置的主要組成部分設(shè)計(jì)成電動(dòng)機(jī)、減速器、滾筒、搖臂、法蘭盤(pán)等，此外該裝置還與截齒形成了一體式結(jié)構(gòu)。破碎裝置的總體示意圖如圖1所示。

圖1 破碎裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 大塊煤破碎裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大塊煤破碎裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分主要包括破碎電動(dòng)機(jī)、行星減速器、破碎外筒、法蘭盤(pán)、軸承、軸承座、密封件以及空氣濾清器等，其中破碎滾筒是通過(guò)簡(jiǎn)單支撐的方式固定在搖臂上的，搖臂的一側(cè)是通過(guò)深溝球軸承來(lái)連接的，另一側(cè)則是通過(guò)圓柱滾子軸承來(lái)連接的，同時(shí)為了防止該裝置負(fù)荷過(guò)重，在太陽(yáng)輪的一側(cè)利用剪切槽進(jìn)行了過(guò)載保護(hù)，此外由于減速器以及軸承上都使用了潤(rùn)滑油，為了防止油液泄漏，其接口處還選擇了骨架油封架構(gòu)。

在破碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的三個(gè)組成部分是破碎電動(dòng)機(jī)、行星減速器以及空氣濾清器，在這三個(gè)裝置的有效協(xié)調(diào)配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中對(duì)于破碎電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，特設(shè)計(jì)選用了單速防爆型電動(dòng)機(jī)，且供電電壓設(shè)置為3300 V，采用水冷的散熱方式，盡可能減少電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)性，同時(shí)為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和掌握電動(dòng)機(jī)的溫度情況，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)置了溫度傳感器，以避免電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，引起井下機(jī)電事故的發(fā)生；而對(duì)于行星減速器而言，該破碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)所選擇的是NGW型的減速器，這類減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常比較緊湊，在進(jìn)行加工以及維護(hù)時(shí)都便于工人操作，其中所設(shè)計(jì)選擇的傳動(dòng)比為8.5，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度可達(dá)到174 r/min，轉(zhuǎn)矩可達(dá)到11044 N·m，整個(gè)行星架由強(qiáng)度較高的合金鋼制成，且為了進(jìn)一步提高減速器的強(qiáng)度，減少設(shè)備的摩擦損耗，特對(duì)其行星架的表面進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理以及局部淬火，同時(shí)對(duì)齒輪也進(jìn)行了淬火工藝和修圓處理，經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)后，齒輪的強(qiáng)度大大提高，安全系數(shù)也隨之增加；最后對(duì)于空氣濾清器來(lái)說(shuō)，為了避免油液注入過(guò)程中，潤(rùn)滑油中混有雜質(zhì)以及煤粒等，在注入工業(yè)齒輪油之前特增設(shè)了空氣濾清器以對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，減少雜質(zhì)對(duì)齒輪壽命的影響，另外為了提高過(guò)濾的準(zhǔn)確性以及精度，利用銅基粉末對(duì)過(guò)濾片進(jìn)行了冶金燒結(jié)，通過(guò)該工藝，過(guò)濾片的塑形大大增強(qiáng)，且耐高溫的能力也隨之提高，與此同時(shí)由于空氣濾清器的透氣功能，空穴現(xiàn)象的發(fā)生也大大減少[3]。

1.4 相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

工作面煤質(zhì)的硬度、脆性、開(kāi)采的地質(zhì)條件以及施工環(huán)境等均會(huì)對(duì)破碎裝置滾筒的功率造成影響，且根據(jù)礦井長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)際的生產(chǎn)情況而言，大塊煤在冒落時(shí)不確定性極高，為了保證體積較大的煤塊可以被有效地破碎，通常將破碎功率值設(shè)計(jì)的較大?？紤]到已有的破碎裝置的技術(shù)參數(shù)，將該大塊煤炭的破碎裝置的功率設(shè)計(jì)為了200 kW。其中破碎裝置主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 大塊煤破碎裝置的主要技術(shù)參數(shù)

2 大塊煤破碎裝置綜合配套技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 截齒布置方式設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中，不同的截齒布置方式會(huì)對(duì)采煤機(jī)的截割效率造成不同的影響，導(dǎo)致塊煤的產(chǎn)生率不同，同理破碎裝置截齒的布置方式也會(huì)對(duì)煤塊破碎的效率產(chǎn)生影響。由于該破碎裝置在對(duì)煤塊進(jìn)行破碎時(shí)采用的是間歇性破煤的方式，因此當(dāng)工作面冒落下來(lái)的大塊煤炭經(jīng)過(guò)刮板輸送機(jī)過(guò)渡槽時(shí)，破碎滾筒工作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采煤機(jī)截齒工作的時(shí)間，因此為了充分利用破碎裝置的截齒，使每個(gè)截齒都能夠發(fā)揮其作用，將截齒設(shè)計(jì)為棋盤(pán)式即可，設(shè)計(jì)不僅能滿足煤塊破碎的要求，還提高了截齒的利用率[4]。

2.2 過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)

由于破碎裝置的電動(dòng)機(jī)的額定破碎功率設(shè)計(jì)為200 kW，轉(zhuǎn)矩也比較大，因此為了保證其設(shè)備的安全性，減少事故的發(fā)生，對(duì)破碎裝置的動(dòng)力部進(jìn)行了過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)。首先對(duì)破碎裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了機(jī)械過(guò)載保護(hù)，在太陽(yáng)輪的中間位置處增設(shè)了一個(gè)剪切槽，一旦實(shí)際的轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，剪切槽就會(huì)斷裂，從而導(dǎo)致破碎滾筒停機(jī)，以免對(duì)電動(dòng)機(jī)造成影響；其次對(duì)液壓缸進(jìn)行了過(guò)載保護(hù)，在液壓缸的進(jìn)液口上增加了一個(gè)安全閥，通過(guò)該安全閥，當(dāng)液壓缸內(nèi)壓力過(guò)高時(shí)，安全閥開(kāi)啟，油液向外滲出，避免了缸體內(nèi)壓力過(guò)高而爆炸；另外還對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電器過(guò)載保護(hù)，通過(guò)安裝在電動(dòng)機(jī)上的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流以及溫度，一旦超過(guò)限定值，則高壓開(kāi)關(guān)跳閘，聲光報(bào)警裝置啟動(dòng)，警示工作人員對(duì)其進(jìn)行檢查和維修。

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

通過(guò)上述研制設(shè)計(jì)后，將該大塊煤破碎裝置應(yīng)用于實(shí)際礦井中發(fā)現(xiàn)，該礦工作面在未使用破碎裝置之前，煤塊冒落的最大直徑為2.5 m，由于體積過(guò)大，在運(yùn)輸時(shí)常常會(huì)造成煤流的堵塞，這不僅降低了井下生產(chǎn)的效率，還增加了工作人員清理巷道的難度和工作量，而在利用該裝置后，煤塊的破碎情況得到了良好改善，在試驗(yàn)期間未出現(xiàn)煤流擁堵的現(xiàn)象，不僅提高了破碎裝置的自動(dòng)化程度，減輕了工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，還降低了事故發(fā)生的可能性，在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

1）確定了破碎裝置的最佳安裝位置為靠近刮板輸送機(jī)機(jī)頭架附近的中部槽上；

2）并對(duì)破碎裝置以及減速器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，確定了電動(dòng)機(jī)、減速器和截齒為一體的破碎滾筒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了安裝方便、運(yùn)行靈活可靠的目標(biāo)；

3）進(jìn)行了截齒布置方式與過(guò)載保護(hù)的設(shè)計(jì)，在提高滾筒截割效率的同時(shí)，降低了工作面發(fā)生故障的幾率，不僅具有良好的破煤效果，還為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益，為中厚煤層工作面煤塊的破碎提供了新的解決思路。