便于維護(hù)的采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白雪巖

（西山煤電東曲礦組干科， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，搖臂系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)滾筒截割高度的關(guān)鍵部件，其行星頭容易損壞，且對行星頭的維護(hù)成本較高、耗時(shí)較長[1]。因此，降低采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的故障率，降低行星頭的維護(hù)成本和耗時(shí)對提高工作面的采煤效率是十分有必要的。

1 便于維護(hù)的采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)要求

便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)行星齒輪傳動(dòng)的采煤機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的，以解決傳統(tǒng)采煤機(jī)行星齒輪傳動(dòng)時(shí)容易發(fā)生故障的問題。針對該問題所采用的整體改造思路是將傳統(tǒng)行星傳動(dòng)齒輪改進(jìn)為平行輪傳動(dòng)[2]。此外，所改造設(shè)計(jì)的平行輪傳動(dòng)搖臂系統(tǒng)需滿足如下要求：

1）平行輪傳動(dòng)的搖臂系統(tǒng)需與當(dāng)前采煤機(jī)的整體結(jié)構(gòu)相配套，尤其是搖臂系統(tǒng)的外形尺寸與滾筒、支架等部件的連接；

2）確保改造設(shè)計(jì)后的平行輪傳動(dòng)搖臂系統(tǒng)能夠適用于中部斷面的生產(chǎn)，即確保采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)能夠完成對機(jī)頭、機(jī)尾以及三角煤的截割任務(wù)；

3）要求改造設(shè)計(jì)后的平行輪傳動(dòng)搖臂系統(tǒng)在垂直截割任務(wù)中向上傾斜5°時(shí)不會截割到液壓支架的頂梁；

4）確保改造設(shè)計(jì)后的平行輪傳動(dòng)搖臂系統(tǒng)滿足最大液壓支架的支護(hù)高度要求。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

確定采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的總體改造思路后，基于ANSYS 軟件對傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)的殼體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)殼體的最大應(yīng)力和最大變形的位置。經(jīng)仿真分析可得，采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)最大應(yīng)力以及變形最大的位置處于滾筒處和搖臂下端鉸接的位置處。

結(jié)合搖臂系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析結(jié)果，通過對平行齒輪傳動(dòng)系數(shù)進(jìn)行改造，主要從平行輪的齒輪數(shù)比、齒輪軸的布置以及齒輪軸承選型提升采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)殼體的抗壓強(qiáng)度。

綜合各項(xiàng)因素最終確定：便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的殼體采用焊接和鑄造的方式。其中，為提升搖臂系統(tǒng)輸出端的強(qiáng)度和裝電機(jī)的殼體的強(qiáng)度采用鑄造的方式成形，而其余部位采用高強(qiáng)度鋼焊接而成，高強(qiáng)度鋼分別為Q550 和Q690[3]。經(jīng)對便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)殼體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化后，其殼體最終尺寸為5 040 mm×2 600 mm×1 700 mm，與傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)的長度相比長300 mm，較傳統(tǒng)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的質(zhì)量重5 500 kg。

2 便于維護(hù)的采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

由1.2 研究可知，可通過優(yōu)化采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)中齒輪軸軸承的選型、齒輪軸的布置形式以及平行輪齒輪的傳動(dòng)比提高搖臂系統(tǒng)的抗壓強(qiáng)度。而且，在實(shí)際工作中采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)中的軸承和齒輪為故障率最高的部件，其后期維修成本和耗時(shí)均較高。本節(jié)著重完成對便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)的齒輪軸軸承齒輪的設(shè)計(jì)。

2.1 齒輪軸軸承的設(shè)計(jì)

便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的總體尺寸比傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)長300 mm，且總質(zhì)量也重5 500 kg。因此，需為便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)選用承載能力更大的軸承，從而保障搖臂系統(tǒng)的使用壽命。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)中共含有13 個(gè)軸承[4]。本文將以其中的最小軸承為研究對象，對比傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)和便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)的軸承。二者之間的尺寸對比如表1 所示。

如表1 所示，便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)的軸承厚度大于傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)軸承厚度5 mm。

表1 軸承尺寸對比

此外，NJ2222ECML 為直線運(yùn)動(dòng)球軸承，在軸承外圈安裝有保持器。保持器中有很多鋼球一直做無限循環(huán)運(yùn)動(dòng)。采用NJ2222ECML 直線運(yùn)動(dòng)球軸承能夠減小搖臂系統(tǒng)在升降運(yùn)動(dòng)中的摩擦因素，從而減小在截割狀態(tài)下對搖臂系統(tǒng)的磨損。

2.2 齒輪的設(shè)計(jì)

便于維護(hù)搖臂的傳動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的行星齒輪傳動(dòng)改進(jìn)為平行輪傳動(dòng)，且傳動(dòng)等級由原先的7 級改進(jìn)為當(dāng)前的5 級。便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)采用5 級平行輪傳動(dòng)，具有比行星傳動(dòng)更高的穩(wěn)定性，可適用于沖擊載荷更大的場合工作[5]。為提高便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)齒輪的耐磨性和抗壓強(qiáng)度，其材質(zhì)選型為8Cr2Ni4WA 的高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼。便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)中各級齒輪的參數(shù)如表2 所示。

表2 便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)中各級齒輪參數(shù)

此外，為進(jìn)一步提升搖臂系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的抗沖擊載荷能力，為搖臂系統(tǒng)均勻布置4 個(gè)過載剪切銷。基于新增的4 個(gè)過載剪切銷，能夠?qū)X輪傳動(dòng)系統(tǒng)的抗沖擊載荷能力提高3 倍以上。

3 便于維護(hù)的采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

將上述初步設(shè)計(jì)的便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并通過在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題對搖臂系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化和改進(jìn)。實(shí)踐表明，將平行輪傳動(dòng)的搖臂系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并以1年的試用期為限，統(tǒng)計(jì)其搖臂系統(tǒng)所存在的問題和維護(hù)的耗時(shí)。便于維護(hù)采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的應(yīng)用效果與傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)對比結(jié)果如表3 所示。

表3 便于維護(hù)搖臂系統(tǒng)應(yīng)用效果

4 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其生產(chǎn)能力直接決定了工作面煤炭的開采效率。采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)為根據(jù)煤層特點(diǎn)調(diào)整其截割高度的關(guān)鍵部件，在實(shí)際生產(chǎn)中搖臂系統(tǒng)故障率較高，嚴(yán)重影響了綜采工作面的采煤效率。為此，采用平行輪傳動(dòng)替代行星輪傳動(dòng)的改造方式，并為其選用抗沖擊載荷能力更強(qiáng)的軸承和齒輪。經(jīng)實(shí)踐表明，平行輪傳動(dòng)的搖臂系統(tǒng)的故障率降低20%，平均維護(hù)時(shí)間減少120 h。