采煤機截割部過載保護方式研究

王俊鑫

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

采煤機是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中最常用的采煤設(shè)備，截割部作為與煤壁直接接觸的部位，其工作中遇到的切割對象隨地質(zhì)變化而變化。切割時若遇到巖石或者矸石含量不同，采煤機截割部就會發(fā)生故障，采煤機的截齒可能斷裂，截割電機也可能燒毀。為了應(yīng)對各種各樣的截割部過載，采煤機的截割電機和傳動裝置中設(shè)置了多道保護元件，防止造成采煤機故障，影響煤炭生產(chǎn)，甚至可以避免人員傷亡事故[1]。采煤機截割部的過載保護分為電氣保護和機械保護，以電機過熱保護和過流保護、限矩器保護和扭矩軸保護為研究對象，研究了采煤機截割部過載保護原理，對采煤機運行和維護具有一定意義。

1 過熱保護

過熱保護又稱為溫度保護，是一種針對截割電機溫度的保護機制。一般截割電機本身就自帶過熱保護，在電機繞組內(nèi)部串聯(lián)了熱敏元件，這些熱敏元件在正常情況下阻值很低，相當(dāng)于通路，當(dāng)截割電機長期工作在額定功率以上時，電機腔體的溫度升高，熱敏元件的阻值迅速上升，最終呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，這時斷開電機電源，實現(xiàn)截割電機過熱保護。根據(jù)熱敏元件的種類不同，過熱保護可分為PTC 熱敏電阻、PT100溫度傳感器和雙金屬片溫度繼電器。這些元件被裝設(shè)在截割電機的繞組或軸承蓋上，當(dāng)電機發(fā)生過電流或電壓和過載等情況時，電機的繞組和軸承會發(fā)熱，此類信號傳遞到控制截割電機的PLC 上，PLC 就會發(fā)出切斷電機電源的動作指令，動作指令通過斷路器控制回路控制，斷路器斷開電機電源，實現(xiàn)過熱保護[2]。

截割電機過熱保護工作原理：以雙金屬片溫度繼電器為例，當(dāng)電機出現(xiàn)過載電流時，熱保護里的雙金屬片會發(fā)生彎曲，因為2 個金屬片通過電流超過設(shè)定電流后，發(fā)熱系數(shù)就會不一樣，在雙金屬片上機械連接一個常閉觸點，因為彎曲而動作，常閉點是串聯(lián)在動力電路的交流接觸器中，所以熱保護常閉點動作，交流接觸器線圈斷電，主回路同時沒電，電機得到保護。

2 過流保護

截割電機過流保護工作原理：過流保護指的是當(dāng)電機的電樞電流超過額定電流一定范圍內(nèi)長時間工作時，通過保護電路將電機電源斷開的保護的措施。采煤機正常切割煤炭時，截割電機定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場也在定子繞組感應(yīng)出反電動勢，這是消耗電壓的主要部分。當(dāng)采煤機遇到堅硬的巖石，截割頭堵轉(zhuǎn)，反電勢為0，電機只有其自身的電阻和電感，所有電壓都加載在繞組上，電樞電流會急劇增加[3]。

過流保護的整定：根據(jù)截割電機容量的大小和加工工藝不同，堵轉(zhuǎn)電流一般為電機額定電流的4 倍以上。截割電機的電流保護安全系數(shù)一般設(shè)置為2.5，電機的電樞電流在超過電機額定電流2.5 倍時電機電源跳閘。

3 限矩器保護

限矩器的工作原理：限矩器又稱為摩擦式離合器，是一種限制最大輸出力矩的機械裝置。如下頁圖1 所示，限矩器的動力輸入軸通過花鍵與電動機軸連接，動力輸出軸通過花鍵與扭矩軸連接，向截割滾筒傳遞動力。輸入軸和輸出軸中間的法蘭端面內(nèi)裝有調(diào)整螺母，在法蘭盤靠近輸出軸的一端有彈簧裝置和摩擦片。通過調(diào)整螺母的松緊程度可以改變摩擦片可承受的最大力矩，當(dāng)輸出軸輸入的力矩小于最大力矩時，摩擦片不產(chǎn)生滑動，輸出力矩被傳遞到輸入軸上；當(dāng)輸出軸輸出的力矩大于最大力矩時，摩擦片產(chǎn)生滑動，輸出力矩被限制在摩擦片上，保護截割電機不因為突變的力矩而產(chǎn)生過電流。

圖1 摩擦式離合器的裝配圖

限矩器的安裝位置：限矩器的安裝位置比較靈活，一般有三種安裝方法。一是安裝在截割電機和減速器之間，這樣安裝的好處是動力和扭矩的傳遞比較合理，同時還能為連軸裝置提供安裝空間，增加傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性；二是安裝在截割電機尾部，這樣做的好處是減少傳遞能量的消耗；三是安裝在一級齒輪的外側(cè)，這樣做可以提高能量傳遞的效率，但是連接的部分略顯復(fù)雜。實際采煤機的限矩器安裝可根據(jù)需要靈活設(shè)計。

限矩器保護的整定：每個調(diào)整螺母可以在摩擦片上施加的額定力矩為150 N·m，16 個調(diào)整螺母的額定力矩為2 400 N·m。在設(shè)定保護力矩時，要同時考慮限矩器保護的敏感性和安全性，將調(diào)整螺母的保護力矩設(shè)定在適當(dāng)范圍，并且要均勻分布在摩擦片四周，防止局部應(yīng)力集中損壞摩擦片。限矩器保護的安全系數(shù)一般設(shè)置為3.75，摩擦片在承受力矩大于限矩器的額定扭矩3.75 倍時發(fā)生滑動。

4 扭矩軸保護

電機的溫度保護和電流保護只能反映電機的工作狀態(tài)，并不能直接反映傳動系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)。限矩器能夠隔離較大力矩，起到機械保護的作用，但是由于限矩器適用于沖擊大、間歇性發(fā)生的過載情況，并且在摩擦片打滑時仍然存在一部分扭矩可以傳動到下一級齒輪機構(gòu)，所以限矩器保護也不能完全實現(xiàn)扭矩保護。扭矩軸是一種常用的過載保護和彈性緩沖的保護機構(gòu)。

扭矩軸的工作原理：扭矩軸是位于減速器和摩擦式離合器之間的動力傳動軸，其主要作用有傳遞扭矩、吸收沖擊負(fù)載、過載保護等。如圖2 所示，扭矩軸兩端的外花鍵分別與摩擦式離合器和減速器連接，扭矩軸左邊通過軸承和螺母與摩擦式離合器的輸出軸推桿連接，右邊與減速器齒輪連接，扭矩軸中間的最細(xì)點凹槽為卸荷槽，當(dāng)采煤機切割到巖石等硬物時，扭矩軸瞬間承擔(dān)突變力矩，從而在卸荷槽處斷裂。離合器左側(cè)手柄的作用是使扭矩軸與減速器齒輪斷開連接，防止檢修人員在檢修采煤機動力裝置時電機突然來電，造成人員傷害[4]。

圖2 摩擦式離合器與扭矩軸的裝配圖

扭矩軸保護的整定：扭矩軸保護的安全系數(shù)一般設(shè)置為2，卸荷槽處的斷裂扭矩為扭矩軸額定扭矩的2 倍。

5 結(jié)語

對于地質(zhì)狀況復(fù)雜的薄煤層煤礦來說，采煤機截割部切割巖石的情況越來越普遍，各種由于過載而發(fā)生的設(shè)備或人員事故也越來越多。結(jié)合礦場地質(zhì)結(jié)構(gòu)和采煤機設(shè)備的機械性能，合理地設(shè)置截割部保護顯得尤其重要。截割部過載保護分為電氣保護和機械保護兩種，電氣保護包括過熱保護和過流保護，機械保護包括限矩器保護和扭矩軸保護。所有的保護起到的保護作用不同，保護范圍也不同，實際工作中應(yīng)當(dāng)詳細(xì)計算、綜合考慮，使采煤機過載發(fā)生頻率降到最低。