采煤機強力齒的改進與分析

張俊歌，朱冰心，楊銀川中國礦業大學銀川學院

采煤機強力齒的改進與分析

張俊歌，朱冰心，楊銀川中國礦業大學銀川學院

文中介紹了一種改進的采煤機強力齒方案，以市面上現有的采煤機鎬齒為基礎，通過改變其內部結構，使其成為具有彈性，能夠旋轉、伸縮、放大截割力，提高截割效率，減小摩擦、沖擊、丟失，延長實用壽命的強力齒，并通過理論計算改進后的強力齒能夠提供的采掘力。

采煤機強力齒；截錐彈簧；鎬齒

1 背景

目前，國內外所生產的齒種類繁多，在各種齒中由于工作環境惡劣，鎬齒摩擦損失、沖擊損失、丟失損失而造成機械工作機構頻繁換齒，其結果限制了機械設備的工作效率。如：煤礦采煤機滾筒鎬齒損壞、丟失、摩擦仍未杜絕，且目前所使用的鎬齒均為固定式，均不能產生力的放大，故對于齒仍有較大的研究價值。

2 采煤機強力齒的設計

2.1 設計理念

采煤機強力齒以采煤機滾筒鎬齒為基礎，結合自動中心沖的原理和結構，通過改變其原有的內部結構，有效解決鎬齒摩擦、沖擊、丟失問題，同時使采掘力成倍放大，提高采掘效率。

2.2 設計方案

如圖1所示，采煤機強力齒主要包括合金齒頭、齒體、套筒、滑塊、二級截錐彈簧、尾座、一級截錐彈簧和導桿八個部分。

圖1 采煤機強力齒1.齒頭；2.齒體；3.套筒；4.滑塊；5.二級截錐彈簧；6.尾座；7.一級截錐彈簧；8.導桿

2.3 工作原理

工作時，采煤機滾筒和煤層分別同時對強力齒齒體和合金齒頭施加壓力，迫使合金齒頭推著導桿向尾座方向移動，在不受力的情況下，由于一級截錐彈簧的作用，導桿在強力齒齒體內呈傾斜的狀態，一旦受到較大外力的作用時，套筒尾部的小孔會自動將導桿的位置糾正。裝在尾座內的滑塊心軸上裝有二級截錐彈簧，在合金齒頭受力不是很大的情況下，導桿依然呈傾斜狀態，此時導桿細端與滑塊的中心孔外緣相接觸時，導桿推動滑塊壓縮二級截錐彈簧向尾座方向移動，施加壓力越大，合金齒頭移動的距離越大，二級截錐彈簧壓縮變形就越大，二級截錐彈簧積蓄的能量也就越大。由于導桿的形狀為中間有一段具有錐度的階梯軸，滑塊的中心部位有一定大小和深度的盲孔，在合金齒頭受到較大的壓力時，合金齒頭推動導桿的錐度段穿過套筒尾部小孔，此時，由于錐度與孔配合時的自定心作用，迫使導桿由傾斜狀態慢慢調整到導桿軸線與強力齒軸線相重合的位置，此時導桿的細端剛好能夠滑入滑塊中心的盲孔內，滑塊在二級截錐彈簧的壓縮下立刻向合金齒頭的方向移動，導桿的細端與滑塊中心的盲孔立刻相配合，導桿的細端與盲孔的端面在外力的沖擊下相接觸并發出“啪”地一聲，該沖擊力通過導桿傳遞到合金齒頭對煤層產生一個較強的沖擊力，當采煤機滾筒和煤層對強力齒施加的力撤去后，一級截錐彈簧會推動導桿帶動合金齒頭恢復初始狀態，二級截錐彈簧會推動滑塊回到原始位置。這樣就完成了采煤機強力齒對煤層瞬間沖擊采掘的一個自動工作過程。

2.4 主要部件作用

該采煤機強力齒能夠實現自動沖擊工作過程，最主要有兩個力的作用，一個是采煤機滾筒施加的外力，另一個是二級截錐彈簧壓縮后帶動滑塊對導桿細端的一個沖擊力。起主要作用的有以下幾個零件：

（1）一級截錐彈簧

它的主要作用是在套筒尾部小孔還未與導桿的錐度段相配合時，始終保持導桿在強力齒齒體內呈傾斜狀態；在強力齒工作結束后使導桿和合金齒頭恢復到初始狀態。

（2）套筒

它的主要作用是當套筒尾部的小孔與導桿的錐度段相配合時，利用孔與圓錐配合時的自定心作用慢慢使導桿由傾斜狀態調整為導桿的軸線與強力齒齒體軸線相重合的位置。當然導桿傾斜的角度并不是越大越好，這要根據強力齒內部結構空間來確定。

（3）二級截錐彈簧

它的一端繞在滑塊上，主要作用是積蓄能量并提供滑塊沿強力齒軸線向合金齒頭方向沖擊的一個力度。

3 分析驗證

截錐螺旋彈簧承受載荷時，在簧圈接觸前，力與變形成正比，表現為特性線為直線區段；當載荷逐漸增加時，彈簧圈從大端開始出現并死，有效圈數相應減少，彈簧的剛度也逐漸增大，直到彈簧圈完全壓并。這一階段力與變形的關系呈非線性，表現為特性線段為漸增型，如圖2所示。

圖2 截錐螺旋彈簧的結構和特性線

截錐螺旋彈簧的剛度為變值，其錐角越大，彈簧的自振頻率的變化率越高，對于緩和或者消除共振有利。與圓柱螺旋彈簧相比，在系統的外廓尺寸下，它能承受較大的載荷，并可以產生較大的變形，而且全壓縮高度比較小。在受力時，它的穩定性也比較好。與圓柱螺旋彈簧相比，截錐螺旋彈簧具有較大的橫向穩定性。[2]

在強力齒工作中提供擊打力的是二級截錐彈簧，而截錐彈簧又分為等節距截錐螺旋彈簧和等螺旋升角截錐螺旋彈簧，在此處我們采用的二級截錐彈簧是等節距截錐螺旋彈簧，已知采煤機強力齒中滑塊的質量為m1=45g，滑塊中心的盲孔深度為L=9mm，合金齒頭的質量為m2=31g，導桿的質量為m3=21g，二級截錐彈簧的鋼絲直徑為d=2mm,自由高度為H0=30mm，有效圈數n=30mm，彈簧絲小端頭的曲率半徑R1=5.5mm，彈簧絲大端頭的曲率半徑R2=10mm，所用彈簧絲的切變模量為G=78.5 GPa，根據等節距截錐螺旋彈簧的計算公式得，

由于：R2-R1=10-5.5=4.5＜nd=5×2=10故彈簧壓并時的高度為：

大端開始觸合時的負荷為：

由于考慮到采煤機強力齒工作時的可靠性，故二級截錐彈簧的最大變形量應小于H0-Hb=30-9=21mm，所以采煤機強力齒中設計的其工作變形量為ΔH=16mm。因為截錐螺旋彈簧在大端開始觸合后的彈簧特性線段表現為漸增型，綜合考慮后，對截錐螺旋彈簧大端開始觸合后的彈簧特性線段做近似處理，即截錐螺旋彈簧大端開始觸合后的彈簧特性線段與大端開始觸合前的彈簧特性線段一致，計算得，

截錐螺旋彈簧的變形量為ΔH=16mm時的負荷為：

當二級截錐彈簧的變形量達到16mm時，導桿的細端瞬間滑入滑塊中心的盲孔，此時，二級截錐彈簧推動滑塊向合金齒頭方向加速運動，煤層推動著合金齒頭帶動導桿向尾座方向加速運動，根據牛頓第三定律和第二定律得：

二級截錐彈簧施加在滑塊上的力為：F1=FΔ=124.48N

煤層通過合金齒頭施加在導桿上的力為：F2=FΔ=124.48N

導桿的加速度為：

導桿細端從滑入滑塊中心的盲孔瞬間到與與滑塊中心的盲孔相配合瞬間的時間為：

導桿細端與滑塊中心的盲孔相配合瞬間，

滑塊的速度為：V1=a1t=2766.22×1.87×10-3m/s=5.17m/s

導桿的速度為：V2=a2t=2393.85×1.87×10-3m/s=4.48m/s

設導桿細端與滑塊中心的盲孔相配合瞬間到相對靜止的沖擊過程歷時為Δt=0.01s，則由動量定理可得：

顯然，此時的沖擊力要比齒與煤層之間的力大，且此處計算時二級截錐彈簧的非線性特性線段采用了近似處理，所以實際的沖擊力比此處的計算值還要大。另外，采煤機強力齒沖擊力的大小主要取決于二級截錐彈簧的彈簧絲直徑和材質，所以可以根據實際情況需要采用不同材質或不同彈簧絲直徑的截錐彈簧即可。

4 結語

采煤機強力齒結構相對簡單，裝配較容易，由于工作時合金齒頭可旋轉和伸縮，故齒頭所受摩擦均勻，工作中齒的硬性損傷也可降低。另外采用此種結構的強力齒可以使采掘力集中起來成倍放大，提高采掘效率。

[1]彭志慧，謝曉紅.自動中心沖的簡易設計[J].機械工程師，2016（9）：108

[2]秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊：單行本彈簧設計[M].北京：化學工業出版社，2013.3.

鄭寶柱。