超級螺栓在采煤機搖臂上的應用

趙軍祥

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著現代工業技術的不斷發展，各類大型乃至超大型機械開始在石化、交通運輸、礦山電站和農業生產建設中得到廣泛應用，大型螺栓的應用也開始變得普遍起來，但是傳統緊固件及其緊固方法難以解決大型設備連接的技術需求。此種背景下，一種性能可靠、構思精巧、安全性能高、應用方便的緊固件應運而生，這就是超級螺栓。超級螺栓的優勢在于提高設備完好率，維修簡單，有效延長使用壽命，可謂螺栓緊固技術的一次革命。

1 采煤機搖臂與緊固螺栓

煤礦機械設備中，滾筒式采煤機搖臂一般分為彎搖臂與直搖臂兩種結構，采高較低的情況下，采煤機通常選用彎搖臂作業形式，其主要目的是擴大搖臂低位截割狀態下的過煤空間，由此提高采煤機裝煤效果，但這種情況僅適用于一定高度下的采煤作業[1]。對于采高大于2 m的作業情況，采煤機搖臂進行低位截割操作時，搖臂下方過煤空間比較充足，此時要多考慮產品通用性，因而通常設計成直搖臂與連接架搭配的方式，如圖1、圖2所示。

圖1 采煤機彎搖臂

圖2 采煤機直搖臂

受以往生產技術和用材的限制，特別是鑄造殼體材質的影響，采煤機搖臂通常利用4根銷軸與連接架連接在一起，這種連接方式具有較高的可靠性與穩定性。然而受整體結構限制，設計人員需要增強連接部位的強度，且連接架尺寸相對龐大，搖臂長度隨之變長，這顯然不符合煤礦開采中緊湊型產品的設計理念[2]。隨著搖臂殼體材料在近年來的不斷提升，通過超級螺栓將搖臂和連接架直接緊固為一體也具有相當高的可操作性。

2 超級螺栓

2.1 超級螺栓的結構

超級螺栓分為三個部分，即中心螺栓一枚、螺母一個（周圍配有一圈小螺栓），高強墊片一枚，具體結構示意如圖3所示。超級螺栓通常又被稱之為超級螺栓多頂推張緊器，應用過程中先將超硬墊片旋進緊固件螺桿，然后沿螺桿主螺紋將超級螺母擰下，使之與超硬墊片相互接觸即可。擰緊加固時，注意要將主螺紋周圍環繞一周的頂推螺栓擰緊，這是最終步驟也是比較關鍵的一步，借助簡單手動工具即可實現。擰緊后頂推螺釘將預緊力均勻施加到主螺紋上，此種狀態下主螺紋被純張力牢固鎖定[3]。

圖3 超級螺栓構成示意圖

2.1 超級螺栓優點簡析

1）產品設計優點。相比于其他緊固方式，超級螺栓中的純張力鎖緊模式保證了同等尺寸下可以獲得更強勁的預緊力，從而能夠解決更高預緊力的緊固需求，在使用過程中螺栓連接件可有效對抗外部振動等因素的干擾使其不至松動。此外，高預緊力設計方案比較契合緊湊型產品的應用與設計需求，有利于減少材料消耗，控制加工成本。

2）螺栓的安裝優點。頂推螺栓的設計尺寸比較小，在安裝過程中無需使用過于復雜的安裝工具，借助普通手動扳手即可完成安裝，且操作方便，大大節約了安裝時間，提高了工作效率。加上只用手動工具，有效避免了大型工具危險、接頭在高壓力下破裂的危險、液壓壓力引起的安全風險以及其他壓傷性危險，安裝的安全性較高。相比于其他類型的螺栓，超級螺栓安裝時只需將頂推螺栓緊固即可，不易受安裝空間的限制和影響，安裝更為順利。

3）設備運行優點。預緊力分布均勻、精確，有效緩解了相鄰緊固件載荷不均所造成的影響，高預緊力特性也是避免運行狀態下連接件松動的保障。

4）設備維護優點。后期設備維護時，對連接件的固定與緊密程度的檢查更方便，純張力鎖緊避免了普通扭矩安裝方式引起的螺紋咬死現象；拆卸時也降低了普通螺栓連接方式可能導致的機械故障。

3 采煤機搖臂和連接架的常規連接形式

我國基礎工業以往較為落后，這對采煤機部件鑄造與材料技術的發展產生較大制約，搖臂鑄造殼體強度不足。設計人員為了保證搖臂和連接架之間的連接強度，選擇采用大尺寸銷軸來連接以上兩個部件，雖然此種連接方式具有較高的可靠性，但是連接架尺寸偏大，尤其是一些需要緊湊設計的產品，難以解決設計要求[4]。筆者以某型號采煤機為研究對象，分析其搖臂與連接架之間的連接方式，如圖4所示。該采煤機搖臂1長度（即回轉中心距和行星頭之間的距離）為2761 mm，截割功率設定為650 kW，電動機和搖臂回轉中心之間的距離為1159 mm，4根銷軸（Φ130 mm）將搖臂和連接架連接在一起，見圖4。這種連接形式固然可靠，但搖臂重量明顯增加，整體中心偏高。此外，截割作業時調高油缸負載偏高，液壓系統容易損壞[5]。

圖4 傳統采煤機搖臂和連接架之間的連接方式（mm）

4 采煤機搖臂和連接架的新型連接形式

以某型采煤機搖臂2為例，該型采煤機搖臂長度（即回轉中心距和行星頭之間的距離）為2772 mm，截割功率設定為620 kW，電動機和搖臂回轉中心之間的距離為736 mm，采用7根M56超級螺栓將搖臂和連接架連接在一起，如圖5、圖6所示。

圖5 采煤機搖臂和連接架之間的新型連接方式（mm）

圖6 超級螺栓在連接架上的分布示意

通過對比兩個搖臂我們發現，二者功率相近，長度相當，但二者搖臂回轉中心和電動機之間的距離差值為423 mm。在圖4結構中，連接架過長不僅會限制產品配套及其適用性，還會導致搖臂中心過高，加大液壓系統負載。一旦遇到沖擊載荷的作用，液壓系統會產生相當于3～4倍正常壓力的瞬時沖擊，導致嚴重的系統振動與噪聲。此外，工作環境過于惡劣，也會造成液壓元件、密封件以及各部分管路受損，所以采用圖5的連接方式降低搖臂中心，有助于緩解液壓系統負載，保證系統穩定性[6]。

5 結語

采用超級螺栓這一新型連接方式后，采煤機連接架尺寸得到控制，搖臂可調范圍明顯增加，且重心降低，有利于緩解液壓調高件承受的負載，維持液壓系統穩定。應注意的是，并非每一種采煤機都適用這一新型連接方式，建議根據具體情況進行設計，并且檢驗殼體強度是否符合超級螺栓的要求。

[1]張義民，王婷，黃婧，等.采煤機搖臂系統行星輪系疲勞可靠性靈敏度設計[J].東北大學學報（自然科學版），2016，37（10）：1426-1431.

[2]趙麗娟，李明昊，范佳藝，等.基于VP-MFC的采煤機搖臂系統齒輪性能退化可靠性分析[J].中國安全生產科學技術，2016，12（9）：92-97.

[3]章立強.薄煤層采煤機搖臂行星機構的支撐結構研究[J].煤炭工程，2015，47（10）：132-134.

[4]張建峰，王志華.基于EEMD降噪和HMM的采煤機搖臂滾動軸承故障診斷[J].煤礦機械，2016，37（1）：205-207.

[5]呂福軍.采煤機搖臂行星傳動部滾筒壓蓋松動和漏油問題的研究[J].煤礦機械，2013，34（11）：192-193.

[6]范瑞民，劉春輝.MG300/700-WD型采煤機搖臂行星機構的改進[J].煤礦機電，2011（4）：124-125.