薄煤层采煤机电缆结构优化与应用研究.pdf

200/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言在我国，煤炭资源是不可再生的能源资源，同时也是重要的战略储备资源。目前，我国正在积极推动煤炭行业的转型升级，煤矿企业要想在市场竞争中占据优势，就必须要在创新上下功夫。随着我国煤炭企业开采范围不断扩大与开采深度不断加深，对采煤机提出更高的要求。一旦采煤机在运行过程中出现一些问题，比如电缆与电缆槽之间发生摩擦、振动、断裂等现象，就严重影响采煤机正常使用，降低运行效率。基于此，必须分析研究采煤机电缆结构参数，优化结构设计，并对设计做出相应改进。1 薄煤层采煤机电缆结构优化的背景随着煤矿开采规模的不断扩大，薄煤层采煤机在不断升级改造中。煤矿薄煤层（2m及以下）开采是煤矿发展的必然趋势。为了满足薄煤层开采技术所需，必须对煤矿采煤工艺进行升级改造，实现采煤机向智能化和信息化方向发展。针对采煤机结构进行优化设计是提升运行性能的重要措施。在进行优化设计时需要考虑以下几个方面：第一，满足实际工作中可靠性要求以及工作效率要求。第二，提高产品的质量，实现使用寿命和产品性能之间薄煤层采煤机电缆结构优化与应用研究李亚鹏（山西保利铁新煤业有限公司，山西晋中 031300）摘要：针对薄煤层采煤机电缆在工作中出现的磨损、振动、断裂等现象，通过分析总结了电缆在使用过程中的常见故障，通过电缆结构的优化设计，有效地解决了采煤机电缆故障问题。目前，我国煤炭行业正处于一个快速发展阶段，煤矿安全生产是企业发展最基本的前提条件之一。针对薄煤巷道下开采易出现煤壁磨损等现象，对薄煤层采煤机进行结构优化设计，有效地解决了薄煤层下开采易出现刮板输送机链轮磨损严重、振动剧烈、支架断裂等问题。在实际的应用过程中，由于现场环境复杂，对采煤机进行现场测试时必须要有相应的测试设备以及测试方法才能完成测试工作。故此，通过理论分析法、有限元法以及试验探究的方法研究采煤机电缆结构优化设计，并通过对薄煤层采煤机电缆结构优化设计后的试验结果进行分析总结，得出了一些结论与经验。关键词：薄煤层；采煤机；电缆；结构优化图1 新型薄煤层采煤机结构的平衡。第三，降低生产成本，提升经济效益。通过对采煤机结构优化可以使运行效率更高、工作安全性更强、成本更低、使用寿命更加长久1。随着我国煤矿开采不断深入，采煤机逐渐被广泛应用于煤矿采掘生产中。随着矿井的不断深采，矿井下使用采煤机的煤矿也越来越多，由此引发了一系列问题，例如：采煤机电缆在运行过程中产生的噪音、震动和温度升高等问题。因此，优化薄煤层工作面采面电缆结构性能并应用，可以有效的解决对矿工身心健康造成的威胁。新型薄煤层采煤机结构如图 1 所示。2 薄煤层采煤机电缆结构优化的过程本文以薄煤层采煤机主电缆为研究对象，分析薄煤层采煤机主电缆结构，对其进行优化，将新结构投入应用并进行检验。在分析和研究中发现，新电缆结构能更2023.7 矿业装备/201好地满足薄煤层采煤机主电缆需求，并为后续设计相关产品提供了借鉴。通过对薄煤层开采工艺的研究，并结合新结构电缆应用情况发现其在煤矿井下采煤过程中存在一些不足之处，针对这些不足进行改进。分析新结构应用效果，结合其优势以及不足情况，发现此结构已具有较好适用范围，能满足当前薄煤层采煤机电缆使用要求。3 薄煤层巷道中电缆结构优化的改造薄煤层巷道环境复杂，不仅有空气，还有岩石，为了保证采煤过程中能实现煤矿安全生产要求，电缆结构设计必须满足电缆在不同煤层巷道环境下不同的工作性能要求。本文主要以薄煤层巷道为研究背景，以采煤机电缆为研究对象来研究电缆结构设计对其工作性能的影响。建立薄煤层巷道中电缆结构的理论模型，通过该模型可得到：第一，薄煤层巷道环境下电缆工作机理。第二，分析不同工况下电缆工作性能对其所对应参数的影响，并改进设计。第三，分析薄煤层综采工作面工艺对其结构的影响，优化设计。为了确保上述研究内容的顺利完成及模型的正确性和可靠性，运用有限元软件ANSYS 对其进行数值模拟计算和分析、通过试验验证理论建模结果2-3。4 采煤机电缆常见故障为了确保煤矿生产的安全性，必须要做好相应工作，在煤炭开采过程中必须做好相关工作。但由于煤矿井下环境较为复杂，煤矿设备受到一定程度的损坏，出现煤矿生产效率不高、安全性得不到保障等一系列问题。为了确保矿山安全生产，需要设置专门矿用机械设备。对于采煤机电缆而言，其故障主要包括绝缘损坏、局部放电、过热和绝缘老化等。在绝缘损坏的过程中，由于受到外界因素的影响，例如工作环境温度过高、湿度过大等因素，会引起短路放电现象。另外，由于电缆长期使用过程中受外部因素的影响，例如受外力作用或者是被异物损伤，会造成电缆短路放电。在发生局部放电故障时，如果出现严重局部漏电或者是电压不稳定的情况，均会造成短路放电。引起故障的原因主要是由于电气绝缘出现了损伤或老化所导致的。过热故障主要包括长期高温环境下以及受其他因素所引起温度过高情况，进而导致电缆内部压力过大，引起电缆过热现象。过压故障主要分为两种：一种是由于外界压力超过允许值而导致电缆内部产生高低压压力差，另一种则是电缆老化或者受到机械损伤所引起的。5 电缆结构优化设计电缆结构优化设计是指在研究电缆结构的过程中，通过对其物理性能和机械性能的分析，从满足实际应用需求出发，对传统电缆结构尺寸进行优化设计。主要研究内容为优化设计薄煤层采煤机电缆结构，测试其工作性能指标，通过模拟实验分析，寻找在实际应用中所存在问题并提出解决方案。采煤机电缆优化设计一般采用两种方法：第一，采用有限元法进行分析，并将数值转化为三维模型。第二，通过实验探究的方法进行研究。此次采煤机电缆优化设计主要针对以下几个方面：第一，将有限元分析技术应用到采煤机电缆结构中。第二，通过在有限元建模过程中采用不同的材料和尺寸，并对变形情况、应力分布情况以及内部应变情况等进行模拟仿真，为优化结构奠定基础。6 应用研究在采煤机进行应用，通过对采煤机电缆结构优化后，使用低损耗的铜护套电缆可以满足在恶劣环境下运行需求。在实际应用中，为了保证采煤机运行安全，防止电缆出现故障带来的安全问题，可以通过设计电缆固定装置、设计固定支架等方法来解决这一问题。根据目前我国煤矿开采的实际情况，采用刮板输送机进行辅助运输时需要使用大吨位采煤设备，而使用电缆固定装置可以有效保证采煤机运行过程中采煤机机身与电缆之间的稳定连接，确保其不会出现异常情况。优化后的电缆结构与实际应用相结合，通过试验确定了适用范围以及不同负荷下的电缆结构参数。新型薄煤层采煤机总体设计的技术参数如表 1 所示。薄煤层采煤机载电线结构优化后，使用过程中发现采煤机载电线电缆出现不同程度的老化以及使用寿命短的问题。经过研究得知：采煤机载电线电缆采用的铜芯铝绞线作为绝缘材料存在热胀冷缩现象，在使用过程中容易出现变形问题，因此金属铝芯的电缆出现不同程度的老化现象。为了确保采煤机载电线电缆使用寿命，必须要对采煤机载电线电缆进行结构优化。7 电缆在薄煤层工作面的应用该采煤机电缆结构优化与应用研究的目标是通过采202/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备条件和生产任务要求。第二，对不同型号、数量以及规格的电缆进行合理搭配，确保电缆在敷设过程中能保证其在整个工作过程中均能正常运行，并不会因为长时间使用而导致线缆老化、故障等问题出现。第三，在应用新结构设计时要结合当前实际生产需要选择合适的线径尺寸，同时应确保该电缆结构能满足目前井下所需的敷设深度及敷设高度要求。第四，为了保证整个电缆敷设过程中能够顺利完成，应严格按照设计要求对线缆进行绝缘处理，并确保其内部导体在敷设过程中不会出现绝缘层破损、脱落、接触不良等现象。通过实验分析可知，通过电缆结构的优化设计可以有效提高电缆抗弯曲性能，减少弯曲次数并降低弯曲半径。在实际应用过程中，通过对设计后电缆进行结构测试并与未优化设计前后的结构进行对比可以发现，设计后结构具有更高的抗弯曲性能，电缆弯曲次数降低20%30%。在今后工作中，要加强对采煤机电缆使用环境及性能研究，保证采煤机能够正常运行。8 结束语伴随我国煤矿行业的发展，目前采煤机械设备存在一定的问题。通过理论分析法、有限元法以及试验探究的方法研究，优化设计了采煤机电缆结构，提高了使用效率。通过对薄煤层综采机电液控制系统中采煤机与电机之间的电气连接结构研究可以得知，这一新型电气连接结构具有安装方便、可靠性高等特点。通过对薄煤层电缆的安全应用研究可以得知，这一新型电气连接结构具有使用寿命长、运行安全等特点。参考文献1 赵永刚,等.薄煤层采煤机巷道下开采系统综采工作面安全高效无人支架设计研究 N.中国矿业报,2018-09(1):447-448.2 郭玉辉,王赟.浅谈薄煤层开采技术现状与发展趋势 J.煤矿开采,2012,17(1):1-2+36.3 田成金.薄煤层自动化工作面关键技术现状与展望 J.煤炭科学技术,2011,39(8):83-86.表1 薄煤层采煤机技术参数机型号MG2x160/710型电牵引采煤机采高范围/m1.22.1适合倾角/45截深/mm630，800机面高度/mm845两摇臂回转中心距离/mm5405配套滚筒直径/mm115012501400最大采高/mm201520652140下切深度/mm215265340摇臂结构形式整体弯摇臂摇臂长度/mm2121.065摇臂总摆角/30上摆/20下摆/10截割功率/kW2(2160)供电电压/V3300滚筒转速/(r/min)滚筒直径/mm46.750.253.9截割速度/(m/s)11502.813.023.2512503.293.5314003.683.95牵引与调速型式销轨式、交流变频调速牵引功率与供电电压230kW，380V牵引速度/(m/min)6.75/11.24牵引力/kN470/282泵站电动机型号YBCB-10G泵站电动机功率/kW10供电电压/V3300喷雾方式内、外喷雾冷却方式截割、牵引、泵站电机、摇臂水套等用水冷喷雾泵站喷雾泵型号PB-200/6.3最高工作压力/MPa6.3额定工作流量/(1/min)200供水管型号KJ32-100配套电缆型号主电缆MCP1.9/3.3 350+125+44牵引电缆MCPTO.66/1.14 350+116+104整机重量/t约36用新设计，有效解决薄煤层工作面采煤机电缆结构及材料的不足之处，提高采区内采煤设备的工作效率与安全性。第一，在采用新结构设计时应充分考虑电缆敷设过程中需要面临的复杂环境与各种因素，保证该电缆能够适应煤矿井下复杂环境，同时应满足煤矿井下不同地质