煤礦井下采煤機姿態調整牽引機構的應用研究

李 偉

（山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司， 山西 晉城 048400）

引言

作為煤礦井下“三機”設備之一，采煤機的工作特性直接決定了井下綜采作業的安全性和可靠性，現有的采煤機主要采用了單側雙驅動方式，但當井下綜采面存在傾角、底板起伏的狀況時，導致采煤機整機承受較大的扭轉力矩，使單側牽引機構的受力過大，采煤機工作時的穩定性和姿態控制難度加大，給煤礦井下綜采作業安全性造成了極大的挑戰。因此本文根據煤礦井下實際的地質條件，提出了一種基于液壓浮動支撐的調姿牽引機構，其采用了雙列四驅的狀態控制結構，利用ADAMS 仿真分析軟件對其工作時的嚙合特性進行了研究，結果表明該結構能夠有效提升采煤機對井下復雜地質條件的適應性，降低工作時的受力，具有極大的應用推廣價值。

1 雙列四驅浮動調姿牽引機構

根據目前采煤機單列調姿牽引機構所存在的問題，結合長期井下工作經驗，提出了一種新的雙列四驅浮動調姿牽引機構，其在傳統的單列調姿牽引采煤機的傳動箱體兩側設置了執行油缸，使其在傳遞運動和力時具有回轉擺動的能力，隨著負載的變化使牽引機構產生一定的抵消擺動，進而實現采煤機運行時候的平衡均載。同時為了實現對采煤機運行姿態的實時監測和調整，在采煤機的頂梁位置設置位移傳感器，實現對采煤機與頂板距離的監控，確保采煤機在井下復雜地質條件下運行時的平緩性，通過調姿機構來對采煤機的驅動牽引機構負載的調節，該雙列四驅調姿采煤機整體結構如圖1 所示。

2 雙列四驅調姿牽引機構的仿真分析

圖1 雙列四驅采煤機虛擬樣機結構示意圖

利用CREO 三維建模軟件建立采煤機的三維仿真分析模型，根據實際情況設置采煤機調姿牽引機構行走輪的模數為47.69 mm，其齒數為12，壓力角為20°，運行時的阻尼系數為0.1，利用ADAMS仿真分析軟件對采煤機運行過程中施加一個能夠模擬采煤機運行時不穩定負載的梯形波的負載信號，對其運行過程中的動態特性進行分析研究。傳統牽引機構和新的調姿牽引機構在相同負載特性調節下的速度和加速度變化曲線如圖2 所示。

圖2 不同情況下采煤機速度和加速度變化曲線

由圖2 可知，采用傳統的單列牽引機構情況下，在運行過程中，采煤機的速度在±0.03 m/s 的范圍內呈一定的周期波動，其最大運行速度約為0.23 m/s，最小運行速度約為0.18 m/s.，在整個運行過程中采煤機的加速曲線變化較小。當采用調姿牽引控制系統時，在運行過程中采煤機的速度、加速度變化曲線基本與常規牽引相同，其穩定運行時的最大速度約為0.21 m/s，其最小穩定運行速度約為0.17 m/s，且加速度進入穩態的周期要小于常規的單側牽引，由此表明采用雙列四驅調姿牽引時，能夠對采煤機的運行產生一定的緩沖作用，有助于確保采煤機運行過程中的穩定性。

在運行過程中采煤機采用不同牽引機構情況下的嚙合力變化[4]如圖3 所示。

圖3 不同牽引機構下采煤機的嚙合力與牽引阻力變化曲線

由仿真分析結果可知，采用傳統的牽引結構時，采煤機在啟動時嚙合力的波動頻率較大，且幅值較高，其變化規律主要由作用在采煤機上的牽引阻力決定，而當采用調姿牽引機構時，在啟動的瞬間嚙合力幅值顯著降低，表明了該調姿牽引機構能夠有效地平緩在啟動時采煤機牽引機構的嚙合沖擊力，有助于提升牽引機構工作時的穩定性和使用壽命。

為了研究在井下復雜地形條件下采煤機牽引機構中心距對嚙合力的影響，本文在相同的條件下對其進行仿真分析，結果如圖4 所示。

圖4 嚙合力隨中心距變化規律曲線

由采煤機調姿牽引機構在實際工作條件下其中心距變化范圍一般在±8 mm 范圍內，在該范圍內，隨著中心距的增加采煤機牽引機構工作時的嚙合力逐漸降低，但在整個變化過程中，嚙合力的變化較為平緩，并未發生突變，符合在傳動過程中均勻變化的要求，滿足采煤機工作時的穩定性要求。

3 結論

1）該調姿牽引機構的加速度進入穩態的周期要小于常規的單側牽引，能夠對采煤機的運行產生一定的緩沖作用，有助于確保采煤機運行過程中的穩定性。

2）采用調姿牽引機構時，在啟動的瞬間嚙合力幅值顯著降低，能夠有效地平緩在啟動時采煤機牽引機構的嚙合沖擊力，有助于提升牽引機構工作時的穩定性和使用壽命。

3）該調姿牽引機構在整個工作范圍內合力的變化較為平緩，并未發生突變，符合在傳動過程中均勻變化的要求，滿足采煤機工作時的穩定性要求。