油页岩开采机的研究与应用

张世宗

（太重煤机有限公司， 山西  太原  0300032）

摘要：本项目研究的目的是为我国油页岩的开采作为一项新的尝试和探索，研究长壁式开采油页岩矿产的开采设备，根据油页岩物理性状，其普氏硬度f≥7，为中硬岩石，由于油页岩的硬度和韧性强的特点增大了滚筒截齿的磨损情况、截割系统的破岩负载，对截割系统和整机造成剧烈震动、稳定性差的问题，调高油缸的抗冲击能力以及电气系统的抗震能力都提出了很高要求的油页岩开采机。

关键词：油页岩开采机；截割系统；滚筒；调高油缸；机架；设计 ；震动

Research and Application of Oil Shale Mining Machine

ZHANG Shi-zong

(Taiyuan Heavy Coal Mine Machinery Co. , Ltd, Taiyuan Shanxi 030032,China)

Abstract：The aim of this paper is a new attempt and exploration for Chinese oil shale mining, research on mining equipment for long arm type exploiting oil shale.According to the physical properties of oil shale, the universal hardness of f 7 ", it is a medium hard rock, because the hardness and toughness of the oil shale are strong, the wear of the roller cutter and the rock breaking load of the cutting system are increased, causing severe vibration, the problem of poor stability of the cutting system and the seismic capacity, the impact resistance of the high oil cylinder and the aseismic capacity of the electrical system are put forward very high requirements of oil shale mining machine.

Key words：Oil shale mining machine；Cutting system；Cylinder；high oil cylinder；frame；design；vibration.

0前言

油页岩作为一种潜在的、储量巨大的能源。油页岩的开发和利用是世界石油资源的有益补充和替代。 我国的油页岩是一种蕴藏量十分丰富却几乎未被很好利用的矿产资源，储量大约为2万亿吨，然而，长期以来开采油页岩的设备在我国仍然是空白，研制开发开发油页岩的设备恰逢其时。所以开发研制具有世界先进水平的油页岩采机有着广阔的市场前景，经过市场调研和考察 ，我公司与龙口煤业集团有限公司共同开发研制油页岩开采机，从而填补了我国开采油页岩设备的空白，对我国新能源的开发、扩展我国新能源市场具有一定的影响。

1. 选型与配套

依据龙煤集团现有的设备进行配套选型，配套设备如下：

刮板输送机：SGZ-764/800；     转载机：SZZ-830/315

中部液压支架：ZF5200/17/32    过渡液压支架：ZFG6400/17/32H

端头支架：ZTZ11600/18/28      

经过与现有设备的预配套，初选方案为：MG400/930-WD油页岩开采机，主要技术参数见表1，外形图见图1，断面图见图2。

表1   主要技术参数表

                               图1  油页岩开采机外形图

图2  油页岩开采机断面图

2.油页岩开采机研制

    研制油页岩开采机主要针对提高油页岩矿的开采技术，采用油页岩层长壁式开采方法，由于其油页岩的硬度达到f=7，而煤质硬度是f≤4，用采煤机形式开采油页岩其对采煤机的滚筒截齿的使用寿命、截割系统的强度、调高油缸耐冲击性、电气系统的防震和减震性、整机机身的稳定性和抗冲击能力造成了很大的影响，为此针对以上问题进行技术攻关而开发油页岩开采机以适应龙矿油页岩长壁式开采的需求。

2.1截割滚筒

截割滚筒作为油页岩开采机的主要截割油页岩和装载油页岩的截割工具，由于其普氏硬度f=7，韧性大，因而对截齿的损耗、断齿和齿座、叶片的磨损程度增加很多，为了提高其滚筒的使用寿命，首先是从运动参数，即滚筒转速和牵引速度来确定其螺旋角度，增大其破岩和装岩能力，同时也要为其工作面提供有效的降尘、灭尘效果。为了提高其强度我们从以下方面入手。

1）为了提高其滚筒的耐磨性，在其端盘、叶片易磨损处和齿座前加焊耐磨块，用以保护齿座的磨损。

2）为了提高其滚筒的切割硬岩能力，优化滚筒的设计，将叶片的头数由三头增为四头，以减小其截齿的截线排距，提高其截齿数量，减少滚筒的振动和冲击，以提高滚筒受力的均匀性。

3）选用重型截齿及齿座，以提高其截齿的抗冲击能力。

4)由于截齿的增多，从而增加了粉尘量的产生，为此在油页岩开采机上选用文丘里喷雾装置，提高了降尘的效率。

2.2截割部

截割部是油页岩开采机的核心部件，主要完成支撑和传递动力给截割滚筒，实现滚筒的截岩和装岩的主要功能，截割部要承受较大的截割阻力和较大的冲击载荷，为保证其承载能力。因此，通过优化传动系统参数，在材料、制造工艺方面采用新技术、新工艺；改善其重载行星减速机构的均载和齿面的润滑状态，提高齿轮的承载和抗冲击性能；优化提高油页岩开采机的重型截割系统的截割臂壳体结构的强度和刚度。

1）重载行星减速机构是油页岩开采机截割部传递采机截割扭矩的，其性能的优劣直接影响采机的开采性能，由于行星齿轮传动采用功率分流，且数个行星轮分担载荷，从而采用四星双行星减速机构，实现行星机构的紧凑型设计和大扭矩的输出。

2）对齿轮材料的优化选材和加工工艺的改进，选用为高淬透性的优质渗碳铬镍合金钢和优质氮化钢（内齿圈）EN40B材质，经热处理表面硬度HRC58～62，有效渗碳层深1.6～2.4mm不等和渗氮层深0.4～0.5mm，表面硬度HRC62～67；通过对齿轮齿形的修鼓修缘，减少和补偿因制造、安装误差而引起的行星齿轮间载荷分配不均匀性，提高行星传动的寿命和可靠性。

3）由于摇臂壳体起到支撑滚筒截割工作和传递动力的作用，为此要求其具备足够的强度和刚度，通过摇臂截面和已知的参数及使用的工况来合理求解，示意图(图3)如下：

       图3  摇臂壳体截面图

从摇臂的受力情况分析，摇臂在A-A端面主要受到的沿x轴弯矩最大，沿y轴弯矩和z轴扭矩较小。根据A-A断面沿x轴的弯曲应力：

δmax=Mmax/Wx≤[δ]

式中：Wx—抗弯截面模量；Wx=(BH³-bh³)/6H。

从以上两式得出：通过优化截割臂矩形断面，提高断面的承载面积，提高断面的抗弯截面模量，最终提高截割臂的承载能力。

2.3牵引部

牵引部是油页岩开采机的行走机构，分列于左右两侧；通过驱动电机的减速，带动链轮与运输机的销排啮合行走。由于机身的强烈震动，作为驱动和导向的链轮和导向靴的损坏就特别严重，通过使用新材料、新工艺和新的加工方法来提高链轮和导向靴的抗冲击和耐磨性能。

链轮选用高性能耐冲击的新材料18Cr2Ni4WA(δb=1180  AKU=78(15)), 选用先进的加工工艺流程，保证其加工精度, 研发了销轨轮齿槽全齿形淬火技术，形成了全齿形不等量均匀加热新工艺，优化了齿面硬度梯度分布，提高了轮齿强度及抗磨性能。

导向滑靴采用等离子弧粉末熔覆技术，对导向滑靴摩擦面进行等离子弧粉末熔覆(熔覆厚度5mm左右)，提高摩擦面的耐磨性能。

2.4泵站

    泵站作为油页岩开采机摇臂升降液压源的主要核心，其由泵站电机、液压泵、油箱、阀组调高油缸等组成。为了提高其可靠性，研究出低功耗液压系统（图4），采用敞开式先导电磁溢流阀组配合蓄能器为制动系统提供压力油，保证了液压系统的可靠、稳定运行。

                 图4    低功耗液压系统

2.5主机架

    整机机身采用主机架结构形式，牵引部、泵站、电控部装在主机架内；主机架采用整体框架式机构，起到了支撑起摇臂、滚筒的主体结构，为了提高机架的刚度和抗震性，此箱型框架机身使用高强度钢板采用铸焊结构，由顶板、底板、侧板及一定数量的隔板组成，具有很大的刚度和整体性，具有较好的抗震性和补偿性，一方面提高了机身刚度强度，另一方面内部采用抽屉式装有牵引部、泵站、电气控制箱及辅助部件，各部件都可以如抽屉式单独抽出更换、维修；所有的截割反力都由主机架来承受，降低了设备承受巨大反作用力及剧烈震动时对这些部件的影响；并且主机架可以依据用户的下井需要可作为整体式、两段式或三段式结构，相互连接形式采用双排螺柱燕尾槽楔铁组合防松配合液压长螺杆结构，保证机身连接可靠；

            图5  三段式主机架连接方式

2.6电控部

电控部作为油页岩开采机的大脑中枢，开采机一切动作指令都由其发出；对于油页岩开采机就得考虑其控制系统防震性能的要求，我们通过选用高可靠性的军工产品；对电路板防震件进行硅胶固化 ；紧固位置采用双螺母加厌氧胶固化 ；监控中心采用吸进和排出空气摩擦获得阻尼的减震装置，同时在电控部与主机架中的连接采用橡胶隔垫有效解决采煤机核心控制器件在低频、高振幅的割煤环境下易损坏的难题，保证采煤机的正常运行，提高电气系统的可靠性和使用寿命。

2.7调高油缸

调高油缸作为采煤机推动摇臂升降摆动，以保证摇臂上的滚筒上下截煤和装煤，在最大采高和最大卧底时，调高油缸的活塞就要与导向套或缸底接触。由于滚筒截割油页岩(f≤7)时，受到的截割阻抗比较大，产生很大的冲击力，传导到油缸，就引起油缸的导向套、活塞的频繁变形和损坏；为了提高调高油缸的使用寿命，在设计时就增加了油缸的使用行程，在其最大采高和最大卧底时，将其油缸的活塞与导向套、缸底之间产生一定距离的封闭高压油，以作为缓冲，即调高了油缸的使用寿命，又减轻了滚筒割煤时冲击力对机架的硬冲击力，对整机的震动也有所缓减降低。

2.8研制关键技术

通过对油页岩开采机关键技术的研究，重点解决油页岩开采机在截割油页岩(f≥7)时对整个机体所采生的强烈震动的消弱及各部件(特别是电控箱部件)的防震动措施，提高其油页岩开采机的工作稳定性，提高整机及各大传动部件的可靠性及使用寿命，为恶劣的地质条件的开采提供可靠地开采装备。

1)创新开发了强力破岩滚筒的开发，通过优化截齿结构、增加截齿数量，提高滚筒截齿受力的均衡性平稳性，减小截割时的冲击载荷，形成专业的油页岩滚筒，从源头上改善采煤机的负载情况。

2)研发了重载摇臂的强化设计，首次研发采用四星轮传动采用功率分流，且数个行星轮分担载荷，实现行星机构的紧凑型设计和大扭矩的输出，通过优化传动系统参数摇臂壳体结构的优化设计，并在材料、制造方面采用新技术、新工艺；改善行星减速机构的均载和齿面的润滑状态，提高齿轮的承载和抗冲击性能，解决了摇臂整体结构和传动的关键技术。

3)采用铸焊箱式结构的主机架形式，使滚筒、摇臂的截割反力通过摇臂交接处和油缸传导到主机架上，由主机架承受全部的作用力；牵引部、电控部不受力的作用，检修时可以直接从采空侧抽出以便更换和检修。使用高强度钢板采用箱形框架铸焊结构提高主机架强度，对于主机架分段，采用双排螺柱燕尾槽楔铁组合防松配合液压长螺杆结构，提高机身整体连接的可靠性和稳定性。

4)提高了电气系统的抗震性：控制中心、变频器及内部线路板采用胶封固化方法处理，电控元器件连接采用阻尼减震技术，很好地提高了整个电气系统的抗震性能。

5)调高油缸的抗冲击性：在调高油缸前后增加高压缓冲油池，截割系统截割油页岩时产生的冲击振动通过调高油缸前后的高压缓冲油池得以缓冲，减少了对机身产生巨大的冲击作用。

3.存在问题及改进措施

油页岩开采机在1304工作面的工业性试验期间，运行比较良好，故障率低。但还是存在一些问题：外牵引驱动部的链轮易造成磨损和断齿；采机底部过煤空间小，大块岩易堵塞；电机温度传感器误差较大，使显示器有失真现象；个别部位有漏油现象，特别是调高油缸密封有漏油问题；

通过修改链轮轮齿的齿阔和缩短轮齿及导向滑靴磨损面的耐磨层的材料，避免轮齿与运输机的元宝座的干涉和导向滑靴的磨损造成链轮齿根的受力；通过改变主机架平滑靴支撑弯板块的结构修改，增大了主机架底部的过煤通道，增大面积达30%左右；通过对传感器、调高油缸密封的优选及结构的修改，使其出现的问题得到了很好的解决。

4.结语

该油页岩开采机通过在龙口煤业集团公司北皂矿(1304工作面)截割普氏硬度为f=7，单向抗拉强度为60 MPa的油页岩（硬岩石、韧性强）的工业性试验并取得了良好的效果，在北皂煤矿和梁家煤矿投入使用七年，连续生产1500万吨，最高单产13.2万吨/月，从而填补了我国开采油页岩设备的空白。由于其具有很好的过断层和硬岩截割能力，至今我公司生产油页岩开采机30多台套，适应于油页岩(山东龙口七台)、硬岩石(甘肃窑街四台)、地质条件恶劣复杂(徐州六台、府谷四台)的矿产开采提供了广阔的市场前景，创造了较高的经济效益和很好的环境社会效益，具有很好的推广应用前景。

参考文献

［1］刘鸿文 . 材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，1985 .

［2］李昌熙、沈立山、高荣 . 采煤机[M] . 北京：煤炭工业出版社，1988 .

［3］刘春生. 滚筒式采煤机理论设计基础［M］徐州：中国矿业大学出版社，2003.