薄煤層雙電機搖臂新型離合器的開發研制

劉峰

（天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030）

我國薄煤層資源分布廣泛，在煤炭可采儲量中，大約20%埋藏在薄煤層。近年來，隨著中厚煤層等優勢資源的日益減少，薄煤層開采越來越受到重視。但由于薄煤層常伴有夾矸、斷層等地質構造，對簿煤層采煤機的安全可靠性，提出了更高的要求。根據《煤礦安全規程》的規定，采煤機檢修維護時必須打開離合器，以確保工人的安全，因此研制出高可靠性的離合器，成為采煤機工作安全的必要因素。

本文針對薄煤層雙電機搖臂，提出了一種新型的離合器機構，大大提高了搖臂離合器的可靠性。

1 存在的問題

目前國內薄煤層搖臂，普遍采用雙電機結構，既能保證搖臂具有較大的功率，又很好地解決了截割電機徑向尺寸影響機身高度的難題，保證搖臂下具有較大的過煤空間。但是如果像單電機搖臂一樣，在兩個截割電機上同時設置離合器，則會使驅動電機一和離合器一組成的整體與驅動電機二和離合器二組成的整體構成冗余機構，且不易操作、維護，所以新型雙電機搖臂離合器的開發研制急需解決。

2 功能和工作原理

2.1 功能

該裝置設置在搖臂變速齒輪組件上，位于電動機和變速器之間，通過“離”與“合”的轉換，在主動部分運轉的情況下，使從動部分與主動部分分離或結合，以切斷或傳遞搖臂雙電機向變速器輸入的動力，進而避免了雙電機雙離合器的冗余結構。同時在離合器上設計了彈性扭矩軸過載保護裝置，當采煤機遇到突發性超載工況時，起到保護搖臂的作用。

2.2 工作原理

在采煤機正常工作時，電動機動力由主動輪傳入，通過花鍵將動力傳遞給從動輪，離合器用來連接主動輪和從動輪，其操作手柄安裝在搖臂的采空側位置。其中，彈性扭矩軸為一關鍵零件，通過漸開線花鍵同主動輪上的花鍵軸和從動輪連接起來，當該軸在手柄和拉桿的作用下外拉后，彈性扭矩軸的外花鍵與齒輪軸的內花鍵脫離，終止動力傳遞。

如圖1 所示，離合器處于閉合狀態，當需要更換工作狀態時，拆下螺釘，打開護蓋11，順時針旋轉離合器手柄13，使得底座14 突出部分正好位于離合器定位盤15 開出的縱向溝槽中，此時拉動手柄將扭矩軸3 和花鍵軸2 脫開，這時主動輪1 和從動輪6 不再傳動，實現了主從動輪動力傳遞的終止。如果想要回到閉合狀態時，只需反向操作即可。

圖1 采煤機搖臂離合器結構圖

3 結構

這種離合器為花鍵式扭矩軸離合器，主要由手柄、拉桿、底座、導向套、軸承、定位盤、圓螺母和扭矩軸等組成，其結構如圖1 所示。

3.1 拉桿機構

作為離合器的執行機構，一端由軸承支撐，通過擋圈、圓螺母鎖緊和扭矩軸連接，另一端通過連接銷和底座相連。底座本身可以繞定位盤自由旋轉360°，且在定位盤上設有縱向溝槽，所以拉動手柄，正好可以將底座突出部分沿定位盤溝槽縱向拉出。在定位盤的外面設有護蓋，防止進入煤塵損壞離合機構。

3.2 扭矩軸裝置

在從動輪的一端設置軌道，導向套通過緊定螺釘固定在扭矩軸上，可以沿主動輪軌道自由滑動。在從動輪的一端也設有軌道，扭矩軸通過細長軸支撐在導軌上，也可以沿從動輪軌道自由滑動，且滑動行程和導向套相同。當扭矩軸在拉桿的作用下，被拉出和推進時，導向套和細長軸可以起到導向和支撐的作用。

扭矩軸作為離合器的關鍵零件，通過花鍵與主動輪和從動輪相連，不僅起到傳遞動力的作用，又是截割傳動系統的過載保護裝置。發揮著過載保護、彈性緩沖作用。以下對扭矩軸進行設計，圖2 為彈性扭矩軸。

圖2 彈性扭矩軸

（1）選材。選擇合理的扭矩軸材料，應滿足以下要求：

其一，扭矩軸通過花鍵與齒輪連接，所以應確保扭矩軸材料和齒輪材料低碳NiCr 鋼強度基本相當。

其二，扭矩軸應具有一定的芯部硬度，以滿足抗沖擊、抗疲勞要求。

因此，選取齒輪材料18Cr2Ni4WA 作為彈性扭矩軸材料，調質處理，其σb=1 175 MPa。

（2）扭矩軸強度校核。以天地科技MG150/346-WD 采煤機為例，校核扭矩軸的抗扭強度

式中，

τmax為扭矩軸所受的最大扭轉切應力；

Tmax為扭矩軸的最大扭矩；

Wp為抗扭截面模數；

[τ]為材料的扭轉許用切應力。

其中，

式中，

T 為電機的額定扭矩；

K 為載荷系數，一般傳動扭矩大于電機額定扭矩的3 倍時，扭矩軸被扭斷，可以達到保護電機及其他傳動件的目的，所以K 取3。

對于空心軸

式中，

α=d/D

d 為軸的薄弱環節內徑；

D 為軸的薄弱環節外徑。

對于鋼材

將式（2）、（3）、（4）代入式（1）中，可得結果。

3.3 離合器殼體結構

將離合機構傳動部分的主、從動輪采用互相分離，且同軸線布置的形式，通過內外花鍵分別和扭矩軸連接，兩端由軸承支撐在搖臂殼體上。支撐殼體采用合金鋼整體鑄造成型，以滿足足夠的剛度，承受巨大的扭曲力和剪切力。

這樣，既解決了薄煤層搖臂變速傳動部分的主從動輪因采用通軸結構而不易分離的難題，又能保證搖臂鑄造殼體的整體強度。

4 新型離合器特性分析

（1）使用方便、可靠，易維護，設計精巧，體積小，適用在采煤機搖臂緊湊的機構上，機械手動操作，在礦井下使用和維修都比較簡單，且該產品在結構上可完全拆裝，便于內部原件的維修和更換。

（2）性能優越，既解決了在薄煤層搖臂雙截割電機結構上同時設置離合器產生冗余結構的難題，實現了在搖臂采空側控制傳動機構開啟與閉合的目的，又具有良好的彈性扭矩軸過載保護裝置，起到保護搖臂的作用。

5 結束語

該新型離合器已成功應用在薄煤層小功率采煤機上。與此同時，也正將此項技術推廣至中、大功率薄煤層采煤機上。經實踐證明，大大提高了采煤機的工作可靠性，取得了良好的效果。

[1]陳建文，蒲國樹，等.彈性扭矩軸的設計[J].煤礦機電，1998，（1）：35-36.

[2]王德春. 截割部電機橫向布置的保護[J]. 煤礦機械，2010，（7）：202.

[3]趙麗娟，周 宇. 采煤機扭矩軸設計[J]. 現代制造工程，2009，（5）：111-114.