采煤機短鏈傳動系統的設計及運行狀態分析

畢志軍

（山西科興能源發展有限公司，山西 高平 048400）

引言

滾筒是現代化綜采工作面的關鍵性設備，由于綜采工作面的地質條件和煤巖屬性處于多變狀態，導致滾筒采煤機截割部承受的載荷主要呈現為重載、強沖擊的特點，從而對采煤機截割部造成極大的損傷。驅動電機和傳動系統為截割部的關鍵部件，其中，永磁同步電機相比于三相異步電機具有更好的可靠性、精度和響應速度；傳動系統目前以多級齒輪傳動為主，在變載荷工況下的故障率高[1]。因此，針對當前傳動系統的問題采用兩級行星減速器配合齒形的鏈傳動方式替代傳動多級復雜的齒輪傳動系統。本文將重點對短鏈傳動系統的運行狀態進行分析。

1 采煤機截割部短鏈傳動系統的設計

本節將在對采煤機故障現狀分析的基礎上，以MG250/601-WD 為載體重點完成短鏈傳動系統變速截割部的設計，包括將三相異步電機替換為匹配的永磁同步電機，將短鏈傳動替代為齒輪傳動。

1.1 采煤機截割部故障現狀分析

結合實踐生產情況和統計結果，MG250/601-WD采煤機以截割部、牽引部和電控箱發生故障的頻次較高，其中，在一年的生產中截割部共發生故障的次數為79 次，包括搖臂齒輪箱發生故障的次數為45 次，滾筒發生故障的次數為14 次，截割電機發生故障的次數為20 次。

其中，截割電機故障類型主要包括為軸滾動體、全套以及軸頸磨損嚴重、骨架油封容易損壞；同時，三相異步電動機在大負載工況下無法滿足生產需求，即無法保證采煤機適應低速大扭矩的工況。當前采煤機傳動的減速箱以多級直齒齒輪傳動為主，在長時間、大扭矩的工作下，齒輪箱內齒輪主要表現為點蝕、磨損以及膠合等故障；齒輪箱內的軸承也會出現一定程度的磨損、疲勞損傷以及保持架破裂等故障[2]。

總的來講，采煤機截割電機主要面臨的問題為無法提供低速大扭矩的使用要求；采煤機傳動系統主要面臨齒輪和軸承等部件出現頻率較高且較為嚴重的磨損、損傷等故障[3]。因此，為保證采煤機的高效生產，不僅需要對三相異步電動機進行改造，而且還需對傳動系統進行優化。本文所研究MG250/601-WD采煤機的關鍵參數如表1 所示。

表1 MG250/601-WD 采煤機關鍵技術參數

1.2 采煤機截割部短鏈傳動系統的設計

針對采煤機三相異步電動機存在無法保證低速大扭矩工況的問題，采用永磁同步電動機即可有效解決上述問題，此處不做過多贅述。針對傳統齒輪傳動系統的問題，采用短鏈傳動系統進行替代。改造總體思路為：將原傳動系統的三級直齒減速器+行星齒輪的結構形式改進為兩級行星減速器的結構[4]。短鏈傳動系統截割部的結構如圖1 所示。

圖1 短鏈傳動系統總體結構示意圖

如圖1 所示，改造后采煤機傳動系統由永磁同步電動機、減速器和齒形鏈傳動組成。結合采煤機的實際生產工況，對應的永磁同步電動機要求的裝機功率為250 kW，與之相匹配的轉速為1 000 r/min（為滿足大扭矩的生產工況，對應電機轉速應小，即永磁同步電動機轉速最起碼應小于三相異步電動機1 470 r/min）；滾筒額定轉速為40 r/min；要求整個傳動系統所選型減速器的傳動比為25∶1。

1.2.1 減速器結構的設計

結合25∶1 減速比的要求，本系統采用具有較大傳動比特性的NGW 行星傳動裝置實現永磁同步電機動力向齒形鏈傳動系統的傳遞。同時，為保證行星傳動減速裝置的耐磨性和強度要求，各級齒輪的零件材料選用20CrMnTi；為進一步提升各級齒輪的韌性，對齒輪零部件進行滲碳后的淬火處理，保證其表面硬度（HRC）達到57～62 的要求，零部件芯部的硬度（HRC）達到35～40 的要求。在綜合行星傳動減速裝置減速比要求、傳動穩定性等，其內部齒輪的結構參數如表2 所示。

表2 NGW 行星傳動減速裝置結構參數

1.2.2 鏈傳動系統的結構設計

鏈傳動系統作為扭矩輸出的直接部件其不僅要承擔動力傳動的任務，而且還要改變動力的傳遞方向。因此，對鏈傳動系統的強度、耐磨性以及韌性等要求均要高于行星傳動減速裝置各級齒輪的要求[5]。因此，鏈傳動系統涉及到的鏈板、導板以及鏈輪等選用力學性能更勝的50CRVA；同時，各零部件均還需完成滲碳淬火的熱處理。鏈輪為關鍵部件，結合GB/T 10855—2016 的相關標準要求和實際工況的負載，對應鏈輪的結構參數如表3 所示。

表3 鏈輪結構參數

2 短鏈傳動系統運行狀態分析

根據所設計的短鏈傳動變速截割部的各級參數基于SolidWorks 三維軟件分別對行星齒輪、內齒圈、導板、鏈板、銷軸以及鏈輪等零部件進行建模，并根據各級零部件的約束關系完成行星減速器和齒形鏈傳動系統的裝配圖，最終形成短鏈傳動截割部裝配模型，如圖2 所示。

圖2 短鏈傳動系統截割部裝配模型

將圖2 中的裝配模型進行導入前處理后導入ADAMS 有限元分析軟件中，在完成模型編輯、約束添加以及網格劃分等操作后，根據采煤機的實際工況對負載進行設置，對應截割部滾筒的轉速為40 r/min，截割深度為800 mm，分別對牽引速度為3 m/min、4 m/min 和5 m/min 對應的截割特性進行仿真分析，仿真結果如表4 所示。

表4 不同牽引速度對應短鏈傳動系統截割部負載轉矩變化

如表4 所示，隨著牽引速度的增加，對應的負載轉矩分別增大1.3 倍和1.6 倍；負載轉矩的波動范圍分別增加1.4 倍和1.5 倍，均在合理范圍之內。由此說明，短鏈傳動系統可平穩運行。

3 結語

傳統滾筒采煤機以三相異步電動機和直齒齒輪為傳動系統，存在扭矩小、故障率高的問題；本文采用永磁同步電機和鏈傳動系統替換傳統采煤機的傳動方式，并最終對在不同牽引速度下短鏈傳動系統采煤機的運行狀態進行評估得出：隨著牽引速度的增加，對應的負載轉矩分別增大1.3 倍和1.6 倍；負載轉矩的波動范圍分別增加1.4 倍和1.5 倍，均在合理范圍之內。說明短鏈傳動系統可平穩運行。