不同負載對采煤機壽命的影響

董小兵

（陽煤五礦機運區， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，其主要負責工作面煤層的截割、落煤任務。采煤機的截割效率和可靠性是保證工作面生產能力的關鍵。在實際生產過程中由于煤層特點的不確定性很大，不同煤層采煤機所承受的載荷處于動態變化狀態，從而使得采煤機的壽命和可靠性，受到影響。為提升采煤機在實際生產中的可靠性，需掌握不同載荷對采煤機壽命影響機理，為采煤機的設計提供依據和參考[1]。本文著重對采煤機實際運行期間截割部和牽引部的負載特性進行研究，并分析不同載荷對采煤機可靠性及壽命的影響。

1 采煤機負載特性研究

采煤機截割部和牽引部為其關鍵分系統，本文著重對該處的負載特性進行研究，為后續負載對采煤機可靠性影響機理研究提供依據。

1.1 采煤機截割部負載特性研究

截割部為采煤機的關鍵部件，其能耗占據整機運行功率的80%左右，螺旋滾筒為截割部的關鍵部件，其主要任務實現落煤和裝煤任務。因此，截割部在實際截割過程中承受煤層和落煤對滾筒的反作用力，即截割部所承受的外部載荷[2]。本節著重對上述外部載荷的特性展開研究。

截齒為截割部承受外部載荷的單一個體，當其截入煤壁時主要承受截割阻力和牽引阻力、裝煤反作用力等幾種力構成采煤機截割部的外部載荷體系。在建立采煤機在截割生產中的瞬時截割力、牽引阻力、側向力、裝煤反作用力以及附加軸向力數學模型的基礎上，基于Matlab 對截割部的瞬時載荷進行模擬分析。本文對采煤機截割一般煤層和含硫化鐵煤層時的受力情況進行模擬分析，得出如圖1 所示的仿真模擬結果。

圖1 采煤機截割部載荷特性仿真結果

如圖1-1 所示，當采煤機截割正常煤層時截割部三個方向所承受載荷變化趨勢一致均類似于正弦曲線，且截割部所承受的最大合力為14 533.2 N，所承受的最小合理為10 096.2 N。如圖1-2 所示，當采煤機截割含硫化鐵煤層時截割部在三個方向的受力均出現峰值，并且截割部應力出現峰值后又瞬時降至很低，說明截割含硫化鐵煤層時截割部所承受載荷具有沖擊性[3]。經耦合可知截割含硫化鐵煤層三個方向的最大合力為77 940.3 N，三個方向的最小合力為8 196.4 N。

綜上所述，對于正常煤層而言截割部所承受載荷相對均勻，而對于含硫化鐵煤層而言截割所承受的載荷的波動距離，且所消耗的功率也很大。

1.2 采煤機牽引部負載特性研究

采煤機牽引部的主要負載為牽引阻力，其主要任務是根據生產需求實現采煤機在工作面的移動，其功耗占據全機功率的15%左右。實際上，采煤機牽引阻力與截割阻力相關，為避免牽引電機的過載或者超載需通過對牽引速度的實時控制已達到平衡負載的效果[4]。因此，研究采煤機牽引部的負載特性對采煤機牽引阻力的確定和后續傳動部件的強度校核具有實際意義。

本節對截割含硫化鐵煤層時最惡劣工況下采煤機牽引部的負載特性進行研究。對應截割部的截割參數如下：截割深度為0.45 m，滾筒直徑為0.8 m，滾筒轉速為91.1 r/min，牽引速度為2.5 m/min。采煤機牽引部所受到的牽引阻力有明顯的峰值與采煤機所需牽引力的變化趨勢一致。在實際牽引過程中，牽引部所承受的負載波動劇烈。

2 不同負載對采煤機壽命影響的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

基于Pro/E 三維建模軟件對采煤機的搖臂殼體、截割部行星齒輪減速器、滾筒、牽引油缸等建立基礎模型，并根據其配合關系完成采煤機截割部模型的整體裝配，并對裝配后的模型進行干涉檢查合格后根據零部件之間的相互關系添加固定副、旋轉副、滑移副等約束[5]。所搭建的仿真模型如圖2 所示。

2.2 不同負載對采煤機壽命影響的仿真分析

本節對不同截割部負載和牽引部負載下采煤機的可靠性進行仿真分析。由第1 節的研究可知，不同牽引速度對應牽引部的負載不同，不同滾筒轉速對應截割部的負載不同。因此，本節對不同牽引速度、不同截割速度組合下采煤機的可靠性進行仿真分析。其中，所研究采煤機牽引部的速度n 分別為4 m/min、5 m/min、6 m/min、7 m/min，滾筒轉速 v 分別為70 r/min、80 r/min 以及 90 r/min。

其中：對應采煤機殼體的屈服極限值為345 MPa，許用應力值為138 MPa；行星架的屈服極限值為930 MPa，許用應力值為500.3 MPa；行星軸的屈服極限值為980 MPa，許用應力值為527.2 MPa。

如表1 所示：當牽引速度≥6 m/min 時，采煤機殼體的應力大于其許用應力值，處于非常危險的狀態；當牽引速度為5 m/min 滾筒轉速≥80 r/min 時行星架最大應力值大于其許用應力值，而且當牽引速度≥6 m/min 時對應行星架的最大應力均大于其許用應力值；當牽引速度≥7 m/min 時，對應行星軸的最大應力均大于其許用應力。

綜上所述，為保證采煤機生產時的可靠性，延長采煤機的使用壽命，針對本文所研究的工作面，應將最佳牽引速度控制在5 m/min 以內，而且當牽引速度為5 m/min 時，要求對應滾筒的轉速不能大于80 r/min。

圖2 基于Pro/E 搭建的采煤機截割部與牽引部的仿真模型

表1 不同負載對應采煤機可靠性的仿真數據應力值 MPa

3 結語

采煤機為綜采工作面的主要設備，其可靠性和截割效率、牽引速度直接決定綜采工作面的生產能力。因此，需根據綜采工作面的煤層、巖層特性對采煤機的滾筒旋轉速度和牽引速度進行適應性控制，使采煤機的生產效率達到最大，使用壽命最長，為實現工作面高效、節能生產奠定基礎。