采煤機截割部過載保護方式研究

李子彥

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

1 電牽引采煤機的結構和過載保護

1.1 結構組成

電牽引式采煤機主要由行走部、搖臂、液壓系統、噴霧系統、電控系統和其它輔助裝置組成。其中搖臂由減速機構、截割電機、截割滾筒、連接板及截割調高油缸組成；行走部包括無鏈牽引機構和內外牽引齒輪減速箱，無鏈牽引機構通常有銷軌、鏈條和齒條3種，其中鏈條式牽引系統能夠很好地適應工作面波動，可以適應8°的傾斜角；電控系統包括變頻器、變壓器、電控箱，還有漏電保護、故障診斷的收集、判斷、處理、控制、狀況顯示、報警裝置等;液壓系統由液壓泵、控制元件和執行元件組成；噴霧、潤滑系統由動力源、傳動控制元器件等組成，輔助裝置由滑靴、機腿、破碎機及頂護板等組成[1]。

1.2 工作原理

采煤機主要通過裝載截齒的截割滾筒在行走機構的牽引力和減速機構的帶動下在井下實現采煤功能。采煤機利用截割滾筒的螺旋葉片旋轉來實現裝煤。割下的煤塊被螺旋葉片裝到刮板輸送機上進行下一步運送[2]。

1.3 現有采煤機截割部過載保護方式

國內外目前現有的采煤機截割部一般采用扭矩軸傳動進行過載保護。截割電機內轉子軸是在設計在花鍵槽后端的空心軸。扭矩軸則通過電機后端蓋穿過空心軸，一端配合電機輸出，另一端則與截割部減速器的A齒輪內花鍵進行嚙合，因為扭矩軸是起過載保護作用的，故設計成兩頭帶有外花建、兩端較粗，中間細。為使得電機在承受沖擊載荷后能夠及時斷裂而起到保護作用，扭矩軸在后部外花鍵以內軸上裝載圓弧形凹槽細頸。當采煤機的截割滾筒受到瞬間沖擊或者發生悶車時，沖擊載荷大于電動機的最大額定轉矩時，扭矩軸會從細頸處產生斷裂，使得齒輪和其它零件不會被損壞。斷裂的扭矩軸可以通過其螺紋孔進行更換。在采煤機運行過程中，扭矩軸的折斷扭矩值設定的恰當與否，會直接影響截割部零部件的使用壽命，若是扭矩值設置過大，可能會導致截割部的電機燒壞或者部分結構件損壞，但是扭矩值設置太小，扭矩軸則會經常發生斷裂，給井下設備更換帶來極大的壓力，并且維修成本大大增加。增加煤礦生產成本，同時也會增加維修時間[3]。

2 限矩器（限扭矩聯軸器）分析

2.1 結構組成

限矩器即扭矩限制器，在整個使用周期內不需要調整，限矩器打滑之后也不用潤滑和重置，可以很容易測得磨損量，不影響裝置運行。其基本結構是5個主要零件組成的，分別是傳動法蘭、壓力板、輸出毅、彈簧組件和摩擦片。傳動法蘭通過一個聯軸器聯接在主動件上，輸出毅則通過自潤滑襯套安裝在傳動法蘭內，彈簧組件在壓力板和傳動法蘭之間形成加緊力，采用顏色對彈簧組件力大小進行編碼。通過彈簧組件組合可以獲得扭矩的設定值，通常在齒輪箱的輸入軸中安裝輸出毅[4]。

2.2 工作原理

電機和發動機好比大型飛輪，基本上可以占有驅動系總動能的80%～90%，若是采煤機突然停機在情況下承受瞬間過載沖擊時，飛輪效應則產生遠高于額定扭矩的慣性沖擊，限矩器會阻止扭矩傳遞，摩擦盤、主動機之間會產生滑動，進而形成對采煤機截割部的過載保護作用。

聯軸器的種類非常多，聯軸器和限矩器組合形成限扭矩的聯軸器，在結構上稍做處理即可，通過摩擦力傳遞扭矩，它的主要結構特點是將聯軸器的輪毅更換成傳動摩擦盤，傳動摩擦盤被安裝在限矩器摩擦片中間。限扭矩聯軸器是否可有效地起過載保護作用，取決于限扭矩聯軸過載的保護能力，但是主動鏈輪與摩擦盤的摩擦力矩大小決定限扭矩聯軸器的過載保護能力，可通過調節螺絲來調整蝶形彈簧的彈力進行調整摩擦力矩大小，在符合采煤機的工作負載強度的要求下，通過設置限扭矩聯軸器的傳遞扭矩，如果所傳遞的扭矩值高于額定扭矩時，限矩器則通過摩擦盤和主動機的滑動，限制扭矩的傳遞，從而起到很好的過載保護作用[5]。

2.3 設計要素

2.3.1 摩擦元件

摩擦元件是限扭矩聯軸器運行的核心部件，常見的摩擦片類型有：

（1）傳動盤摩擦片。摩擦傳動盤是由傳動盤與摩擦材料組合成一體，由限矩器的夾持鋼盤和傳動盤的摩擦進行傳遞動力。

（2）浮動摩擦片。摩擦片與傳動盤則是互相分離的。浮動摩擦片的成本低、結構簡單。

（3）有導向孔的摩擦片。該摩擦片有著較好的軸向補償功能。

2.3.2 摩擦元件材料

摩擦元件材料的質量是影響限扭矩聯軸器的過載保護能力的主要因素，所以摩擦元件的材質需要具有很好的質量。比如摩擦材料需要有很高而且保證摩擦因數穩定，具備良好的抗磨性和耐熱性能，具有良好的工藝性能和機械強度。紙基摩擦材料和石棉基摩擦材料是比較常用的耐摩擦材料。石棉基摩擦材料有著摩擦因數高，價格低，制作方便，應用廣泛的優點，但耐熱性和導熱較差。紙基摩擦材料則適用于油介質，摩擦系數是相對穩定的，靜動摩擦因數的差距不大，均為0.13～0.15。

3 限矩器實現過載保護的方案

為解決采煤機的截割部在工作時受到較大的沖擊載荷后引起傳動系統的主要零部件電機燒壞或產生損壞的問題，提出使用限矩器替代扭矩軸過載的保護方案。整個傳動系統是由輸入電機、減速機、聯軸器一限矩器組成。安裝聯軸器則能有效解決的輸入輸出軸不同心問題，同時限矩器設置一個合理的額定安全值，很好地保護了整體傳動系統，減小沖擊載荷，提高整個系統的可靠性，而且整套保護裝置是免維修的[6]。

（1）方案一：限矩器安裝在減速器和電機中間。

保護裝置通過電機內花鍵與聯軸器一限矩器的外花鍵聯接，減速器齒輪內花鍵與另一端聯接來進行傳遞動力和扭矩，給限矩器預先設定好一個額定的扭矩值后，當搖臂在截割時，遇到沖擊載荷高于電機最大輸出能力之后，限扭矩聯軸器則會通過打滑進而實現對整套的傳動系統保護。在該裝置中裝載聯軸器，可解決電機在輸入和輸出軸在加工中出現不必要的不對稱J險，利用限扭矩聯軸器控制截割部的傳動系統的載荷波動，進而保護整套傳動系統的限矩過載[7]。

（2）方案二:在電機尾部安裝限矩器。

傳動軸由截割電機的空心轉子軸的一端與一級直齒輪的內花鍵進行聯接，另一端和限矩器的內花鍵進行聯接，限矩器的外花鍵則與電機的輸出內花鍵進行聯接進而實現扭矩和動力的傳遞，由此傳動軸就會把電機產生的轉矩通過傳動軸、限矩器、行星傳動機構、A齒輪傳遞到截割滾筒上。采煤機滾筒受到突然的沖擊載荷時，負載可能會超過電機的最大額定轉矩，限矩器則通過打滑來保護傳動系統的[8]。

4 結論

（1）此傳動使用限矩聯軸器扭矩的保護裝置后，當采煤機的截割部受到較強的沖擊載荷時，超過電機額定扭矩后，限矩器的主動機與摩擦傳動盤開始打滑，限制扭矩的傳遞，吸收一部分沖擊載荷，減少對系統的沖擊，起到過載保護的作用。

（2）使用限矩聯軸器扭矩的保護裝置有兩種安裝位置的方案，不僅適應性強，結構簡單緊湊，而且取代了扭矩軸，進而降低了煤礦設備故障發生率和維護成本。