[科普中国]-采煤机

结构

采煤机一般由截割部、装载部、行走部 (牵引部)、电动机、操作控制系统和辅助装置等部分组成2。

截割部工作机构及其机械传动或驱动装置的总称。当截割部由专用电动机驱动时，截割部也包括截割电动机。工作机构是直接实现截割、破碎等主要功能的部件。其上装有截齿，截齿将煤从煤体上破落下来。有些采煤机的工作机构为了形成所要求的截割断面形状，除了一个主要工作机构外，还有一个或几个辅助工作机构。工作机构往往兼有把破落下来的煤块装入工作面输送机的功能，使用这类工作机构的采煤机就不再需要单独的装载部。机械传动装置用来将动力传输给工作机构，以满足其运动方式、运动方向和截割速度大小的要求。机械传动装置通常采用齿轮传动，一般在使用过程中不能变速，但备有专门的换速齿轮副，供安装时更换，以满足截割速度的要求。机械传动装置根据结构需要可由一个或多个箱体组成2。

装载部把工作机构破落下来的煤块装入工作面输送机的部件。在工作机构不能兼有装煤功能的情况下，设置独立的装载部。装载部一般包括装载机构和机械传动装置。当装载部有专用的电动机时，也包括装载电动机。装载机构也可以由截割部的机械传动装置驱动2。

行走部又称牵引部，行走(牵引)机构及其驱动装置的总称。行走机构又称牵引机构，是行走部的执行机构。它的结构形式主要有钢丝绳—卷绳筒、钢丝绳—摩擦卷筒、牵引链—链轮和无链牵引行走轨—行走轮四种。前两种使用于早期的采煤机，牵引力小，牵引速度低，使用寿命短，安全性差。现代采煤机都采用无链牵引。行走驱动装置包括调速系统和机械传动装置。调速系统用来调节牵引速度和变换牵引方向，有机械调速、液压调速和电气调速三种。机械调速以机械方式来实现调速，如棘轮插爪传动，摩擦片脉动传动等。它常和机械传动装置结合在一起，其输出轴的转速往往是不均匀的，这种调速方式仅在早期的采煤机上使用。液压调速以液压传动方式来实现调速，如变量泵一定量马达、变量泵—变量马达传动等。电气调速以电气调速传动方式来实现调速，如直流调速传动和交流变频调速传动等。液压调速和电气调速都是无级调速，调速系统一般是独立的。现代采煤机都采用电气调速系统2。

电动机整台采煤机的几个主要部件共用一台电动机驱动时，电动机才成为采煤机的主要独立部件，该电动机往往称为主电动机。主电动机一般是两端都有输出轴，一端驱动截割部，另一端驱动行走部，外形呈箱形结构，用紧固螺栓与相邻部件连接形成采煤机的机身部分。电动机必须防爆。现代采煤机的电动机都是水冷式，多数采用定子水冷方式2。

操作控制系统操作控制采煤机的电源(动力源)和工况状态的系统。按系统的工作原理分为机械控制、液压控制和电气控制三种。按控制方式分为就机控制、直视遥控和巷道控制三种2。

辅助装置不同结构型式的采煤机需要配置各种相应的辅助装置。常用的辅助装置有：降(集)尘系统；供电电缆和供水管的拖缆装置；各种安全保护装置等2。

性能参数**电动机功率：**指截割电动机(主电动机)的单台额定功率。在多台电动机驱动时，各台电动机额定功率之和称总装机功率。

**截割高度：**采煤机工作机构工作时在工作面底板以上形成空间的高度。在结构上允许达到的极限高度称为最大截割高度，是决定采煤工作面开采高度的重要参数。

**机面高度：**位于支护顶梁下方的采煤机机身上表面离工作面底板的高度。它决定了采煤工作面的最低开采高度。

**截深：**采煤机工作机构每次切入煤体内的深度。

**截割速度：**截齿齿尖运动的线速度(不考虑牵引速度和工作机构摆动速度的影响)。截割速度影响到每个截齿的切削深度、破落煤的块率、截齿的发热和磨损、粉尘的生成和飞扬、截割坚硬岩石时的火花生成等。

**牵引速度：**又称行走速度。采煤机整机沿长壁采煤工作面牵引(行走)方向运动的线速度。在采煤工作过程中，需要根据被破落煤的截割阻抗(以标准截齿按规定方法截煤时，单位切削深度所对应的截割阻力。)和工况条件的变化，经常调整牵引速度的大小。采煤机往往还需要在不割煤状态下以较高的速度移动其在工作面的位置，这种速度称为调动牵引速度。各种采煤机所具有的工作牵引速度和调动牵引速度的额定值往往简称为牵引速度和调动速度。

**牵引力：**又称行走力，驱动采煤机行走的力。需克服牵引(行走)方向上的各种阻力。采煤工作时的牵引力较大，调动时的牵引力较小。各种采煤机所具有的牵引力额定值往往简称为牵引力。

**下切深度：**采煤机工作机构在结构上允许下切到工作面底板以下的最大深度。在采煤工作面底板起伏不平或在采煤工作面两端骑踏面升高时，采煤机必须有足够的下切深度才能避免连续上飘现象的发生。

**过煤高度：**骑槽式采煤机机身下部与配套刮板输送机中部槽中板间的最大空间高度。它标志着机身下通过煤量和大块煤(岩)的能力2。

分类采煤机的分类方法很多，一般按工作机构的工作原理和结构形式、适用的煤层厚度、煤层倾角进行分类2。

按工作机构的工作原理和结构形式分类按工作机构的工作原理和结构形式分类可分为截框式、滚筒式、立滚筒和钻削式四种。目前，狭义的采煤机仅指使用最广、数量最多的滚筒采煤机。主要有截框式采煤机，滚筒采煤机，立滚筒采煤机和钻削式采煤机等等2。

按适用的煤层厚度分类按适用的煤层厚度分类可分为极薄、薄、中厚和厚煤层采煤机四种。极薄煤层采煤机适用开采最小煤层厚度0.8m以下的煤层，由于设计难度大，生产能力低，所以品种和数量都很少;薄煤层采煤机适用于开采最小煤层厚度1.3m以下的煤层;中厚煤层采煤机适用开采厚度1.3～3.5m的煤层，这是采煤机的主流，品种多，使用广;厚煤层采煤机适用于开采最高煤层厚度大于3.5m的煤层，基本上都是由中厚煤层采煤机派生的机型，目前最大截割高度可达4.5～5m2。

按适用的煤层倾角分类按适用的煤层倾角可分为缓斜，中斜和急斜采煤机三种。

**缓斜煤层采煤机。**适用于倾角25°以下的煤层，绝大多数采煤机都属于这一类。现代研制的采煤机一般在走向长壁采煤工作面可适用到倾角35°，在倾斜长壁采煤工作面则适用的倾角较小。

**中斜煤层采煤机。**适用于倾角25°～45°的煤层。这类采煤机一般在缓斜煤层采煤机的基础上改型而成。现代研制的中斜煤层采煤机往往在走向长壁采煤工作面可以使用在煤层倾角35°～55°左右，又称大倾角煤层采煤机。

**急斜煤层采煤机。**适用于倾角大于45°的煤层。急斜煤层由于条件很恶劣，采下的煤块会高速向下滚飞而砸伤人员;冒落的顶板会向下滚滑使采空区充填不足而造成顶板事故;采煤机与底板之间的法向压力太小，同时采煤机不能以工作面输送机中部槽作行走导向而使采煤机运行不易保持稳定;采煤机上行时除了克服工作机构在行走方向的阻力以外，还要克服较大的机器自身重量的分力，因此要求有足够的牵引力，而下行时采煤机会自行下坠而必须采取控制其下行速度的措施，还要考虑到行走机构损坏引起机器失控下坠而产生严重事故的可能性，因此，虽然世界各国都陆续研制过各种型式的急斜煤层采煤机，但都没有能持久地推广使用2。

几种采煤机详细介绍截框式采煤机截框式采煤机以框形截盘作为主要工作机构的采煤机。截框式采煤机分为薄煤层和中厚煤层两类，分别适用于0.6～0.9m及0.8～2.8m的缓斜煤层采煤。

基本结构：截框式采煤机由电动机、牵引部、截割部、装煤部和辅助装置等组成。截割部包括工作机构及其传动装置。牵引部包括牵引机构和牵引驱动装置。电动机两端出轴，分别驱动截割部和牵引部。装煤部包括装煤机构、装煤减速箱和装煤电动机。

齿座和链板用水平铰销连接成封闭的截链。它在框形导向架上环行，组成框形截盘。截齿装在不同倾角的齿座上，呈扇形，使截槽有必要的宽度。截链运动时，截齿在煤体上割出框形截槽，截深一般为1.6～2m。截框高度决定于所采煤层的厚度，一般为0.7～1.4m，最低为0.5m，最高可达2m。当截框高度较高且煤质较硬，框形截槽内的煤体不能自行碎落时，必须增设破碎杆和破碎盘。破碎杆上装有破碎齿，破碎盘套在破碎杆上，外围装有截齿。截割传动装置按框形截盘和破碎杆的运动速度和方向传递电动机的动力，截割速度是固定的。传动框形截盘用圆柱齿轮，传动破碎杆需要有一级锥齿轮。传动装置分为两级，第一级减速箱是固定的，第二级减速箱可以绕第一级减速箱回转，两级之间有离合器联接。采煤机在工作状态时，框形截盘与机身垂直，离合器合上。当采煤机要转入下放状态时，必须先把离合器脱开，然后将框形截盘随同第二级减速箱一起转到与机身成直线的位置。牵引机构由钢丝绳和卷筒组成。卷筒装在牵引减速箱的底部或顶部。钢丝绳的一端固定在卷筒上，经过滑轮导向引出，另一端固定在斜撑于顶板和底板之间的支柱底部。卷筒转动时，回收钢丝绳，从而使采煤机沿着工作面煤壁移动。卷筒的容绳量为25～50m，卷筒缠满后，使其快速反向转动，人工把钢丝绳拉出，在前方重新固定后方能继续牵引。牵引驱动装置把电动机的动力传给卷筒，驱动装置还要求在工作过程中调速，因此在传动系统中设置棘轮机构或摩擦片脉动器，或采用液压传动。牵引部还提供一种较高的卷筒转速，用于放绳和调动(下放)采煤机。装煤机构为刮板抛射式，垂直封闭的链条上装有悬臂刮板，下股链条贴底板从煤壁向采空区方向运行，至靠近工作面输送机处斜坡向上，使煤块高速抛射到输送机内。装煤部组装成单独的部件，用连接板和钢丝绳拖在框形截盘后面，当下放时，脱开连接件，也转成与机身呈直线的位置。截链截割生成的煤粉由截齿和齿座带出截槽。除粉器把堆积的煤粉推开，以免再次被带回截槽，堵塞截链运行。

**截框式采煤机的特点是：**采用大量截齿以小截割参数在截槽中截煤，使截槽中采出的煤粉(≤6mm)达80%，因此比能耗大、效率低3。

锯削式采煤机又叫截煤机，靠安装在循环运动的截链上的截齿深入煤壁截煤。

机械化掏槽的机器，用以增加爆破自由面，提高爆破效率，有圆盘式、截杆式和截链式三种。钢丝绳两端分别固定在锚柱和截煤机的绳筒上。工作时绳筒转动，将截煤机拉向前进，速度为0.25～1.1m/min。牵引钢丝绳长25m，每前进20～25m需移置锚柱。截煤机不能直接落煤，在工作面上需增加爆破落煤的工序，已被滚筒采煤机代替。

刨削式采煤机即刨煤机，靠刨刀的往复运动刨削破煤。

刨煤机有两种：①动力刨煤机，靠刨刀对煤体冲击破煤，存在问题较多，至今仍在研究中；②静力刨煤机，靠刨刀对煤体静压力破煤，分拖钩式、刮斗式和滑行式三种。中国目前多用拖钩式刨煤机，习称煤刨，由安装刀架的刨体和左右撑板组成，刨刀对称地分布在刨体上。为保证刨煤时煤刨稳定，应将煤刨底盘压在输送机溜槽下面。煤刨用锚链牵引，沿工作面往复运动落煤，一次刨深50～125mm。刨速大于输送机链速的刨煤机，叫快速刨煤机。刨煤机宜用于顶底板稳定、煤质较软、地质构造简单的薄煤层和中厚煤层。

钻削式采煤机钻削式采煤机靠钻头边缘的刀齿钻入煤体，由钻头中部的破煤刀齿将中部的煤体破碎。

钻削式采煤机以钻削头为主要工作机构的采煤机。用于开采缓斜长壁薄煤层，适用于截割硬煤，具有出煤块度大、产生粉尘少等优点，但机身长、结构复杂、调高范围小和不能自开切口。

基本结构：由截割部、行走部、电动机和辅助装置组成。截割部包括工作机构及其机械传动装置。行走部包括行走机构、调速系统和机械传动装置。

钻削头是主要工作机构，分为单环形和多环形两种。单环形钻削头的环形体端头焊有呈不同倾角的齿座，并装有截齿，钻削头转动时截齿在煤体上截割出一定宽度的环形截槽。当截槽达到一定深度，安装在环形体内壁和底部的截齿将环形截槽内的柱状煤破碎成块状，煤块从环形体两侧的装煤口抛向工作面输送机。由于钻削头的直径是固定的，不能适应采高的变化，以及四角的弧形煤需要清除，因此，常常辅以顶截盘、底截盘、立截盘等辅助工作机构。顶截盘可升降，立截盘可摆动以适应采高的变化。多环形钻削头有同心多环和不同心多环两种。同心多环钻削头的结构与单环形类似，只是外环形成的柱状煤通过内环的截齿破碎。不同心多环钻削头的截齿在钻削头上按径向布置。相邻两钻削头的工作区域有一部分是重叠的，上下弧形煤由辅助工作机构削平。装煤机构是一条装有装煤刮板的闭合铰接链，它一般兼有辅助工作机构的功能。机械传动装置按钻削头和辅助工作机构所要求的截割速度和运动方向传递电动机的动力，一般都采用齿轮传动，不能变速。行走机构过去用链牵引，现代采用无链牵引。调速系统一般采用液压传动，使牵引速度能够在工作过程中调节。机械传动装置根据所要求的牵引速度和运动方向传递动力，一般都采用齿轮传动。电动机为箱形结构，两端出轴，分别驱动截割部和行走部，并用连接螺栓把三者固定成一体。现代单环形钻削式采煤机的电动机功率为200kW，最大牵引速度7.3m/min，牵引力300kN。

简史：单环形钻削式采煤机于20世纪50年代初出现于英国，由于其本身的缺点，始终没有获得大面积推广。多环形钻削式采煤机在美国和前苏联都曾研制和使用过，现已淘汰4。

冲击式采煤机根据煤壁的受力特点和力学特征，充分利用煤岩抗拉强度最弱这一力学特性，采用平行工作面煤壁的刀具对煤体进行冲劈，使刀具接触并冲入煤体后在煤体中产生冲劈拉应力，使煤体开裂下落的一种采煤装置。

滚筒采煤机滚筒采煤机适于在煤层厚度变化小、无夹石、地质构造简单、煤层倾角 15°以下、顶板易于管理的条件下使用。倾角较大时，需装防滑装置。滚筒采煤机骑在可弯曲刮板输送机上工作，沿工作面往返运行。螺旋式滚筒上装有按一定规律排列的截齿。滚筒转动时，截齿按一定顺序在煤体上先后截出很多沟槽，使沟槽之间的煤体破落，通过滚筒旋叶和弧形挡煤板装入输送机。滚筒直径为测量到截齿齿尖的截割直径，各制造厂有各种不同的系列，根据采高选定。滚筒宽度相当于截深，有0.6、0.8、1.0、1.2m等几种规格。

滚筒采煤机是以装有截割刀具并绕水平轴线旋转的截割滚筒为工作机构的采煤机。滚筒采煤机工作时，滚筒随机体沿煤壁移动，截割刀具在机器牵引力作用下切入煤体，利用滚筒旋转产生的转矩，将煤从煤体上破落下来。早期的滚筒采煤机以鼓形滚筒为工作机构，破落的煤炭需借助于犁煤板等专用的装煤机构，将其装入工作面输送机。现代滚筒采煤机都以螺旋滚筒为工作机构，滚筒在破落煤炭的同时，利用螺旋叶片将煤装入工作面输送机。

滚筒采煤机用于长壁式采煤工作面进行机械化采煤，也可用于开采钾盐或油母页岩等其他矿物。目前的滚筒采煤机截割高度为0.65～5.0m，可截割各种截割阻抗的煤层5。

滚筒采煤机是煤炭生产的主要机械设备，随着采煤综合机械化的发展，滚筒采煤机的结构和性能还在不断地改进和完善，主要有：①进一步扩大滚筒采煤机的适用范围，研制适用于薄煤层、厚煤层和倾斜煤层的高效能滚筒采煤机；②提高滚筒采煤机的生产能力；③提高机器运行的可靠性和安全性5。

按滚筒数目分类有单滚筒和双滚筒采煤机，其中双滚筒采煤机应用最普遍。

单滚筒采煤机：进刀方式有三种：①先进刀后移机头，一般采用斜切进刀，这种方式简单易行，但进刀时间长；②先移机头后进刀，能充分利用工时，但开缺口工作量大；③进刀同时移机头，进刀简单，时间短，但需强力推移输送机的设备。

割煤方式有两种：①单向采煤，采煤机上行进一刀割煤，下行装煤。优点是能充分利用机器装煤，效率高，但工作面割一刀时间长，顶板悬露时间长，一般适用于顶板稳定、采高较大、装余煤量大的煤层。②双向采煤，往返各进一刀。优点是能提高工时利用率，工作面生产能力大，支护顶板及时，工序紧凑，但采高大时清浮煤工作量大。

双滚筒采煤机：一次采全高，采煤机两端各有一个滚筒。前滚筒在上割顶煤，后滚筒在下割底煤。两滚筒一般相背旋转，司机左侧滚筒用左螺旋，司机右侧滚筒用右螺旋。也可相向旋转，司机左侧滚筒用右螺旋，司机右侧滚筒用左螺旋。一般采用双向采煤，先进刀后移机头的斜切进刀方式；也可采用进刀同时移机头的正切进刀方式。

滚筒采煤机其他分类：按行走机构形式分类有钢丝绳牵引、链牵引和无链牵引三种滚筒采煤机。按行走驱动装置的调速传动方式分类有机械调速、液压调速和电气调速三种滚筒采煤机(通常简称机械牵引、液压牵引和电牵引采煤机)。按行走部布置位置分类有内牵引和外牵引两种滚筒采煤机。按机身与工作面输送机的配合导向方式分类有骑槽式和爬底板式两种滚筒采煤机。按总体结构布置方式分类可分为截割电动机纵向布置和横向布置两种滚筒采煤机5。

故障维修采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣，如果出现故障将会导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失。

由于采煤机是以旋转工作机构破煤，运行环境较为恶劣，受力较大，常会出现传动部位零部件的机械磨损，如采煤机伸缩筒轴承位磨损、采煤机减速机箱体内孔轴承室磨损、采煤机铰接销孔冲击磨损、采煤机滚筒煤截齿齿座内孔磨损等。

出现上述问题后，企业传统解决办法是补焊或刷镀后机加工修复，但两者均存在一定弊端：补焊高温产生的热应力无法完全消除，易造成材质损伤，导致部件出现弯曲或断裂；而电刷镀受涂层厚度限制，容易剥落，且以上两种方法都是用金属修复金属，无法改变“硬对硬”的配合关系。

简史和发展趋势采煤机是从截煤机发展演变而来。截煤机只能在煤体中(一般贴近底板)截出一条深的截槽，然后打眼放炮，人工装煤，效率低劳动强度高。于是就出现了在截煤机的基础上使用多个截盘(包括弯截盘)，必要时加上破碎杆或破碎盘，把全采高的煤都破落下来，在后面再拖上装载部，使破煤和装煤工作能够同时完成，这就是采煤机的雏型。到20世纪40年代末，苏联研制了截框式采煤机，50年代初，英国出现了滚筒采煤机和钻削式采煤机。20世纪60年代以后，截框式采煤机逐渐淘汰，滚筒采煤机在技术和结构上不断完善和更新，成为当前世界各国应用最广泛的一种机型。

我国从20世纪60年代初期开始研制，期间经历了由引进、消化、仿制到自主研制，由第一台单滚筒采煤机到双滚筒采煤机的系列化研制；采煤机截割电机功率由60kW发展到1000kW，总装机功率由60kW发展到2550kW；采煤机总体结构形式由单电机到多电机，由纵向布置到横向布置；牵引形式由钢丝绳牵引到圆环链牵引，发展到无链牵引；牵引调速由机械牵引调速到液压无级调速，发展到直流调速和交流变频调速；系统保护由简单到完善；操作由单纯手动就机操作到兼有端头站操作和无线电离机操作；采煤工作面机械化程度由普采到高档普采，再到综采；适用范围由薄煤层到特厚煤层的发展过程1。

发展趋势探索新的破煤工作原理和新型的工作机构，以改善产品煤的块度构成，增加大块煤的比例;充分利用煤的抗拉强度和剪切强度大大低于抗压强度的特性，降低破煤的比能耗。扩大适应范围，研制产量高、性能好的极薄煤层和薄煤层采煤机以及急斜煤层采煤机。提高自动化程度，与其他配套设备共同组成自动化采煤工作面设备并实现无人采煤工作面2。采煤机使用于一般中、小型矿井下缓倾薄煤层﹑极薄复合煤层采煤工作面开切底槽，达到掏槽落煤的作用。体积小、重量轻，噪音小、防尘效果好，使用安全可靠。电器部分具有一定的防爆性能，电机冷却方式为水冷。较手工采煤能提高煤块率，节省开采时间，是开采极薄复合煤层代人工掏槽落煤的设备。

发展企业近年来，我国采煤机械产业发展迅猛，截止2010年全国采煤机械生产企业已多达24家，产销量约800多台，产能达到1500台左右。从国内煤机竞争态势来看，我国煤机制造企业受计划经济时代影响发展缓慢，不仅技术水平较低，而且产品单一。虽然近年技术提升很快，但是与国外煤机巨头相比，我国煤机装备整机的可靠性和稳定性仍然不强，缺乏行业的顶尖品牌，在资金实力和技术研发能力上与国际先进水平还有一段差距，在露天煤矿采掘设备的生产方面与国外差距较大，大而不强是我国煤机行业当前的真实写照。

产业竞争优化当前我国煤机产能过剩的整体态势已经形成，产品竞争必然转向品牌竞争，推动国内煤机行业的兼并重组，从而做强品牌是我国煤机企业实现突围的必然之举。为此，国家需要在政策等方面加强引导，从而推动我国尽快淘汰落后产能，实现煤机产业的健康发展。中国煤炭行业实施的资源整合、大集团战略尤其是13个煤炭基地的建设，对煤机行业打造品牌、产品升级换代等将产生巨大的推动作用。这些措施在提供巨大市场机遇的同时，也会促进整个煤机行业市场的重新洗牌。目前煤炭行业机械化率约70%，但综采率比较低，约为44%，而世界国家的煤炭综采率超过80%，甚至达100%，煤炭行业的综采化还有很大的空间。