雙滾筒采煤機行走裝置優化分析

王昌健

（鐵峰煤業有限公司，山西 朔州 037200）

引言

行走裝置作為采煤機日常生產過程中移動往復的重要牽引裝置，對采煤機的安全高效生產至關重要。采煤機行走裝置多采用銷齒機構與導向滑靴設計，對平穩性與可靠性有一定的提高，但是煤礦井下惡劣的工作環境與采煤機割煤時的巨大沖擊使采煤機行走裝置失效現象頻繁發生。傳統的行走裝置設計多采用經驗法進行設計，該方法主觀性較強，無法保證參數的科學合理性。針對這一現象，本文對采煤機行走裝置進行了強度優化分析，通過強化行走裝置強度減少裝置失效現象，提高設備使用率，提升企業經濟效益。

1 行走裝置特點及存在問題分析

行走裝置主要由導向滑靴、齒輪系統、銷齒軌道以及行走輪四部分組成。行走裝置示意圖如圖1 所示。采煤機行走裝置主要是利用齒輪嚙合原理完成裝置行走的，行走輪與銷齒以及驅動軸齒輪相嚙合，驅動輪與驅動軸齒輪嚙合，銷齒與刮板輸送機連接，刮板輸送機通過驅動軸完成驅動輪的運動，驅動輪再通過驅動軸完成行走輪的運動，從而帶動行走裝置移動，完成采煤機的往復。導向滑靴通過鉸接方式與行走輪連接，保證嚙合穩定，保證采煤機移動方向正確。其中，導向滑靴的主要作用為承受設備重力與設備運行時的各類載荷，并可保證設備移動的正確導向。

圖1 行走裝置示意圖

通過對過往的采煤機行走裝置失效數據分析，導向滑靴失效占比約為46%，行走輪失效占比約為40%，平滑靴失效約占比10%，其他占比4%[1-2]。由此可知，導學滑靴與行走輪是采煤機行走裝置的主要故障部位。其中，行走輪故障以斷翅為主要故障現象，又以齒輪扯斷最為嚴重，導向滑靴以撕裂為主要故障現象。行走輪是保障采煤機往復的關鍵部件，行走輪的失效會直接導致采煤機無法繼續運行，對采煤機運行至關重要。導學滑靴撕裂雖會導致設備偏載，導向能力下降，使齒輪嚙合由面接觸變為點、線接觸，但對設備運行影響非關鍵。

2 行走輪參數優化分析

2.1 參數正交分析

行走輪是保證采煤機正常運行的關鍵部件，影響行走輪質量的參數主要包括銷齒中心距、齒輪齒數以及模數。本文采用正交法對行走輪裝置進行參數優化分析，可有效保證行走輪參數合理，提高行走輪產品質量。

正交分析法是通過選取參數最優組合，通過試驗分析得出最優組合的相關參數進行研究分析，找出各因素的最優搭配的一種方法，該方法高效、科學，較為適合本文的參數優化。通過分析可知，齒數、模數以及中心距為質量的主要影響因素，行走輪接觸應力、彎曲應力以及銷齒的接觸應力為參數的主要評價指標，因素水平采用三水平法，齒數9、10、11，模數42、44、46，中心距295 mm、300 mm、305 mm，分別為1、2、3 三個水平。對行走輪參數進行正交法分析可得試驗結果如下頁表1 所示[2]。

表1 行走輪參數正交法分析試驗結果

2.2 結果分析

正交試驗的結果分析主要有直接比較法、方差分析法以及直觀分析法三種。其中，直觀分析法具有分析簡單、過程易于理解等特點，在正交試驗分析中應用最為廣泛。直接比較法可以較好的得出因素最優組合以及相關規律，方差分析法可分析出因素水平最優解[4-5]。由于本文需確定的主要是因素對指標影響的順序以及組合，故本文選用直接比較法與直觀分析法進行正交試驗結果分析。由于對三個因素三個水平分析共需27 種組合，數據分析較為復雜，故本文不考慮交互數據，只選擇9 個具有代表性的參數組合進行分析，其數據組合如表2 所示。

表2 代表組合數據

通過對行走輪參數正交法分析試驗結果進行直接對比分析可知，6 號與9 號數據分別為行走輪最大接觸應力的最小組與最大組，9 號與3 號為銷齒最大接觸應力最小組與最大組，7 號與3 號為行走輪最大彎曲應力的最小組與最大組。將三種應力進行擬合曲線分析可得擬合曲線圖，如圖2 所示。由圖2 可知，銷齒最大接觸應力與行走輪最大彎曲應力數據變化較為平穩，可忽略這兩個指標。由表1 可知，6 號試驗的行走輪最大接觸應力最小，可選取該參數組合[6-7]。

圖2 三應力擬合曲線示意圖

運用直觀分析法首先應對A、B、C 三因素進行平均效果與極差計算，A 因素三個水平的平均效果分別為909.333、867.333、981.667，B 因素三個水平的平均效果分別為950、845.667、962.667，C 因素三個水平的平均效果分別為822.667、1 111.667、824。三個因素的極差分別為114.334、117、289[8-9]。

通過對A、B、C 三因素進行平均效果與極差行分析可得，三個主要影響因素中中心距影響最大，齒數影響最小，模數在中間。同時，行走輪參數三個影響因素三個水平的平均效果進行比較可知，A 因素3 水平平均效果最大，1 水平次之，2 水平最小；B 因素3 水平平均效果最大，1 水平次之，2 水平最小；C 因素2水平平均效果最大，3 水平次之，1 水平最小。由上述分析可知，A、B、C 三因素平均效果未呈現單調遞增趨勢。對三因素進行平均效果圖分析，如圖3 所示。

圖3 三因素平均效果圖

由圖2 可知，最佳數據組合應為A2B2C1，其行走輪接最大接觸應力為719 MPa 比同樣較為優越的A2B3C1 組合的最大接觸應力731 MPa 更小。通過相關數據查詢可知，未進行參數優化前行走輪的最大接觸應力為943 MPa，最大接觸應力顯著降低，符合相關設計要求。

3 結論

行走裝置作為采煤機往復運動的主要部件，對采煤機安全可靠運行至關重要。傳統的采煤機行走裝置設計多采用經驗法進行設計，該方法主觀性較強，無法保證參數的科學合理性。針對這一現象，本文對采煤機行走裝置進行了強度優化分析，通過研究分析得出了以下結論：

1）采用正交法對行走輪裝置進行參數優化分析，可有效保證行走輪參數合理，提高行走輪產品質量。

2）行走輪故障以齒輪扯斷最為嚴重，會嚴重影響采煤機行走裝置運行，對采煤機生產運行至關重要。

3）通過三種應力擬合曲線分析可知，銷齒最大接觸應力與行走輪最大彎曲應力數據變化較為平穩，可忽略兩個指標。

4）通過直接比較法與直觀分析法分析可知，行走輪參數最佳組合為A2B2C1，行走輪接最大接觸應力為719 MPa，性能優于其他組合。與未進行參數優化前行走輪最大接觸應力943 MPa 相比，最大接觸應力顯著降低，符合相關設計要求。