采煤機搖臂部件設計研究

郭強強

（山西凌志達煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源儲量十分豐富，已探明的煤炭占化石能源的90%以上，煤炭供給對我國國民經濟發展、社會持續穩定以及能源安全具有巨大的戰略影響。中厚煤層是我國所有煤層覆存形式中占比最大的一種煤，約占煤炭產量的1/2，因此，提高中厚煤層的開采能力對礦井資源高效開采十分重要。采煤機作為我國重要的煤礦開采設備[1-2]，主要負責煤塊的截落及裝運工作，采煤機搖臂作為采煤機關鍵部件，為滾筒提供動力及截割所需空間，在采煤機工作過程中，由于負載工況的作用，造成采煤機搖臂極易出現斷裂、壓潰等現象，嚴重影響采煤機的運行效率[3]，因此對采煤機搖臂受力情況進行分析是十分有必要的。

1 采煤機搖臂設計

采煤機的搖臂是采煤機的關鍵部件，搖臂的作用主要是為滾筒提供工作動力、運動及滾筒割煤所需空間。采煤機截割傳動機構是采煤機截煤的關鍵機構，是將動力傳遞給滾筒的部件，截割機構主要包括殼體、傳動系及附屬構件等。在進行煤體截割過程中，為了適應采煤厚度的變化，需要實時對采煤機滾筒的高度進行調節，所以殼體應做成在機身兩端固定軸擺動的搖臂。作為采煤機滾筒與機身連接部分，其不僅是截割部傳動系統箱體，同時是截割電動機的載體，所以其不僅需要實現轉速的傳遞，同時要具備滿足要求的剛度和強度，所以采煤機的搖臂設計對采煤機高效開采十分重要。

2 部件設計

2.1 電動機設計

對采煤機搖臂進行設計，首先對傳動系統電動機進行選型，由于采煤機的工況環境較為復雜，在進行電動機選型時，電動機需要滿足防爆要求，所以考慮此條件后，選用YBC 系列的隔爆型全封閉水冷式三相異步電動機，選用的電動機具有優越的防爆性能、過載能力及冷卻性能，能夠滿足安全規程要求，適用于煤礦井下的工況。根據尺寸、價格及可靠性等要求，最終選定電機型號為YBC-900G2。該款電機額定功率900 kW，額定電壓及額定電流分別為3 300 V 和180 A，電機轉速為1 488 r/min，質量為3 200 kg。

2.2 傳動組件設計

對采煤機搖臂傳動組件進行選型設計，傳動組件主要包括行星減速器、內噴霧供水裝置和離合器。考慮到搖臂殼體內部安裝有截割傳動系統，所以細化設計可以增強其完整性，對采煤機搖臂行星減速器進行設計。行星減速器由行星輪、內齒圈和太陽輪等組成，在采煤機運行過程中，在功率保持不變、速度降低的同時，會造成部件出現較大的扭矩，極易造成行星架的損壞，可見行星架屬于薄弱環節。采用有限元仿真方法對其強度進行校核，首先在三維建模軟件Pro/Engineer 和WildFire 中對行星架三維模型進行建立，將建立的模型導入ANSYS Workbench 中，模型采用45 鋼，材料的彈性模量為210 GPa、泊松比為0.269、屈服強度為950 MPa、密度為7.85 g/cm3。完成模型參數設定后對其進行網格劃分，網格采用20node SOLID95 單元，網格單位外觀類似六面體，劃分完成共計338 204 個單元和573 867 個節點，完成網格劃分后對力進行設置，截割滾筒一端施加截割轉矩，在結構的另一端通過花鍵連接，花鍵受力面施加相同載荷值，對模型進行求解。應力變形圖如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，在模擬云圖中，在X、Y、Z 三個方向應力最大值均集中在采煤機搖臂行星架的花鍵軸末端處，在此位置由于受到兩種載荷的疊加作用，使其數值達到最大值，最大值為409.46 MPa。根據所用鋼材的許用應力可以計算得出材料的屈服強度為950 MPa，明顯大于材料的最大應力值，同時留有一定的安全裕度，所以能夠滿足材料的強度要求。觀察行星架的應變云圖可以看出，整體行星架的位移變形量均較小，行星架的變形量最大值僅為0.292 mm，位移變形量的最大值出現在行星架夾板的邊緣。行星架能夠滿足工況運行要求。

圖1 行星架應力變形云圖

2.3 離合器、噴霧供水裝置、殼體設計

2.3.1 離合器

對傳動組件離合器進行設計，為保證部件的安裝及更換安全性，同時達到控制電動機及滾筒轉動的要求，所以搖臂須設置離合機構。離合機構置于兩級傳動軸間，利用離合器工作，達到嚙合與脫離效果。設計的新型離合機構，由柔性軸、拉桿、套杯、小軸承、手把和銷子等組成，具體設計示意圖如圖2 所示。離合機構設置在截割電機的尾部，在柔性軸上布置兩處花鍵。使之實現傳動柔性連接，盡量減少滾筒工作時的振動作用，提高穩定性。傳動過程離合是靠拉桿動作實現，動作簡單易行，避免了火花等事故，能夠適應井下惡劣的環境。

圖2 離合器示意圖

2.3.2 噴霧供水裝置

對采煤機內噴霧供水裝置進行設計，噴霧冷卻水由搖臂水道經過端蓋進入密封座，不銹鋼管連接密封座，通過不銹鋼送水管、滾筒的內噴霧供水口煤壁側高壓軟管相互連接，冷卻水進入滾筒葉片水道，完成噴霧供水任務。設計的噴霧供水裝置，密封性能較好，通過簡單的送水就能夠完成噴霧功能，滿足采煤機噴霧裝置的供水要求，在井下惡劣工況下能夠保持較好的工作特性。

2.3.3 殼體

對采煤機搖臂殼體進行設計，在進行搖臂殼體設計時需要考慮諸多因素，不僅要考慮內部的傳動結構，同時需要考慮工作環境和施工空間等。設計的搖臂殼體結構一般分為4 種，分別為彎搖臂、直搖臂、整體式和分體式。根據設計經驗及資料分析后，在確定滾筒直徑為2 240 mm。為優化及提升滾筒的裝煤效果，殼體采用彎搖臂結構，殼體內部布置截割電動機、軸承、傳動齒輪及其他零件，搖臂箱體為整體鑄鋼件，具有較高的強度。同時為了方便后期的檢修，所以箱體的蓋板采用分體式，便于實現機器故障檢測及維護。殼體設計示意圖如圖3 所示。

圖3 殼體設計示意圖

3 結論

1）對采煤機搖臂的工作原理進行研究，同時對采煤機設計要求進行分析，為后續采煤機搖臂部件設計提供一定的依據。

2）對采煤機搖臂行星架的強度進行校核，利用數值模擬軟件對其工況下的應力變形云圖進行分析，發現行星架的應力及應變均能夠滿足工況運行要求。

3）對采煤機搖臂傳動電動機、離合器、內噴霧供水裝置和殼體等進行設計，為采煤機搖臂穩定性的提升提供參考。