采煤機整體式牽引鏈輪的開發(fā)與應(yīng)用

裴陸慧

（沁和能源集團有限公司永紅煤礦， 山西 晉城 048205）

1 工程概況

沁和能源集團有限公司永紅煤礦3507 綜采工作面位于五采區(qū)東翼，主要開采3 號煤層，煤層厚度2.28～6.33 m，平均煤厚4.95 m，煤層傾角5°～22°，平均傾角15°。3507 工作面采用進口JOY 7LS6C 型采煤機落煤裝煤、SGZ764/400 型前部刮板運輸機和SGZ800/630 后部刮板運輸機運煤、ZF7200/20/32 型低位放頂煤支架進行工作面支護和放煤。循環(huán)進度為0.6 m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距為0.6 m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

采煤機鏈輪是采煤機重要零部件，負責采煤機的行走。目前國內(nèi)外采煤機鏈輪均為分體式結(jié)構(gòu)，其中永紅煤礦采用的進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪，對于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大工作面及采煤機鏈輪承受較大軸向力時，采煤機鏈輪承載能力不足，圓柱銷斷裂，螺栓剪斷，軸承散架，鏈輪分體。因此，采煤機牽引鏈輪損壞后需停機檢修，影響到綜采工作面的工作效率，同時也增加了工作人員的作業(yè)安全隱患，有必要對JOY 7LS6C 型采煤機原鏈輪進行全面設(shè)計改進，開發(fā)了一種整體式牽引鏈輪，有效的提高了采煤機鏈輪的使用壽命，提高了采煤機鏈輪質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性[1-2]。

2 JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪結(jié)構(gòu)及存在的問題分析

2.1 采煤機牽引鏈輪結(jié)構(gòu)

永紅煤礦采用的進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采用分體式結(jié)構(gòu)。該分體式牽引鏈輪的根齒輪與齒軌輪采用軸與盲孔間隙配合安裝，通過4 個Φ25.4mm圓柱銷傳遞扭矩，實現(xiàn)采煤機行走。采用2 盤圓錐滾子軸承，在齒軌輪內(nèi)孔中面對面使用，采用4 個定位銷進行定位，齒軌輪與根齒輪采用12 條M30-12.9 級螺栓進行緊固。牽引鏈輪12 條M30 螺栓連接輪體并壓緊圓錐滾子軸承外圈，軸承內(nèi)圈通過軸承端蓋與軸套螺紋配合緊固壓緊。

2.2 采煤機牽引鏈輪存在的問題

3507 綜采工作面3 號煤層較硬、工作面傾角變化較大，JOY 7LS6C 型采煤機在割巖割矸時因采煤機機道不平等因素，導(dǎo)致承受較大沖擊載荷，特別是當采煤機鏈輪承受較大軸向力時，采煤機鏈輪承載能力不足，進行發(fā)生圓柱銷斷裂、螺栓剪斷、軸承散架、鏈輪分體等問題，如圖1 所示。3507 綜采工作面采煤機牽引鏈輪常發(fā)生鏈輪分體情況，每次必須更換新鏈輪，影響工作面開采效率[3]。

圖1 JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪損壞示意圖

3 采煤機牽引鏈輪損壞原因分析

進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪常發(fā)生斷齒及分體損壞，其原因分析如下：

3.1 采煤機牽引鏈輪斷齒原因分析

1）牽引鏈輪本體存在嚴重缺陷。鏈輪本體鍛造工藝未控制好，鍛造時產(chǎn)生裂紋、折疊、折皺、白點等異常情況，使得鏈輪本體存在缺陷；當鏈輪承載超限時，鏈輪本體缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生應(yīng)力裂紋，過而使得牽引鏈輪斷齒。

2）齒根部存在應(yīng)力集中及齒輪芯部硬度過低。齒輪加工時，當齒根部及齒廓圓角過渡較小時存在應(yīng)力集中，這樣齒根圓角的地方就一定會因長時間使用產(chǎn)生裂紋，進而導(dǎo)致輪齒斷裂；牽引鏈輪進行調(diào)質(zhì)工藝時管控不當會導(dǎo)致齒輪芯部硬度過低，當載荷過大會導(dǎo)致輪齒產(chǎn)生裂紋斷裂。

3.2 采煤機牽引鏈輪分體原因分析

1）牽引鏈輪軸向預(yù)緊力不足。JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪為螺栓軸向固定承受軸向力，當承受的軸向力較大導(dǎo)致牽引鏈輪軸向預(yù)緊力不足時，固定螺栓會發(fā)生變形和斷裂，從而鏈輪分體。

2）采煤機牽引鏈輪外部軸向力因素導(dǎo)致鏈輪分體。主要有：采煤機采用斜切進刀工況下，鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力；采煤機支撐滑靴、導(dǎo)向滑靴嚴重磨損，牽引鏈輪與銷排側(cè)面干涉，鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力；遇到?jīng)_刷、斷層等構(gòu)造，該工況下采煤機作業(yè)鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力[4]。

3）內(nèi)部軸向力因素導(dǎo)致鏈輪分體。JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采用2 盤圓錐滾子軸承，易產(chǎn)生較大軸向力；圓錐滾子軸承在安裝時需調(diào)整工作游隙，工作游隙過大或過小都會直接影響軸承使用壽命。

4 采煤機整體式牽引鏈輪的開發(fā)設(shè)計

通過對JOY 7LS6C 型采煤機鏈輪結(jié)構(gòu)及分體原因分析基礎(chǔ)上，對采煤機鏈輪進行全面設(shè)計改進，開發(fā)設(shè)計了一種采煤機整體式牽引鏈輪[5]。

4.1 采煤機整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計方案

1）改變原鏈輪根齒輪與齒軌輪分體式設(shè)計，根齒輪與齒軌輪采用過盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結(jié)構(gòu)強度。

2）采煤鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調(diào)心滾子軸承，徹底解決內(nèi)在軸向力問題。

3）為國內(nèi)煤炭行業(yè)解決采煤機鏈輪分體提供技術(shù)方案。

4.2 采煤機整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)構(gòu)方面：將原采煤機鏈輪根齒輪和齒軌輪使用的連接螺栓固定結(jié)構(gòu)改為過盈安裝加焊接結(jié)構(gòu)，通過過盈內(nèi)應(yīng)力和焊接固定保證鏈輪整體強度，從結(jié)構(gòu)上避免鏈輪分體情況。改進設(shè)計后的牽引連接方式如圖2 所示。

圖2 改進后的牽引連接方式

材質(zhì)方面：鏈輪采用18C2N4W 材質(zhì)，提高了鏈輪的整體強度、滲碳深度和表面硬度，提高了鏈輪的可靠性。

4.3 采煤機整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計工藝流程

采煤機整體式鏈輪根齒輪需加熱，齒軌輪需冷凍進行裝配，焊接采用焊前預(yù)熱、焊后保溫處理，去除焊接應(yīng)力。在各零配件尺寸檢測合格的條件下裝配，保證鏈輪合理過盈量，通過根齒輪與齒軌輪過盈產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及焊接力滿足鏈輪正常使用所需的扭矩傳遞。

5 實踐應(yīng)用效果及效益分析

5.1 實踐應(yīng)用效果分析

采煤機整體式牽引鏈輪完成開發(fā)設(shè)計及制造后，于2022 年5 月在永紅煤礦3507 綜采工作面JOY 7LS6C 型采煤機上進行了安裝調(diào)試，并投入實踐應(yīng)用當中。從2022 年5 月至今，采煤機及牽引鏈輪整體運行穩(wěn)定，牽引鏈輪斷齒、分體等異常損壞情況未出現(xiàn)，對于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大的3507 綜采工作面及采煤機鏈輪承受較大軸向力時采煤機整體牽引鏈輪均可正常工作，使用效果理想。

采煤機整體式牽引鏈輪應(yīng)用前后主要涉及指標對比分析：整體式牽引鏈輪使用前相關(guān)指標值，原采煤機鏈輪分體概率約10%，大大影響了綜采工作面高效回采工作；整體式牽引鏈輪使用后相關(guān)指標值，整體式鏈輪連接可靠，解決了鏈輪分體問題，鏈輪使用壽命提高30%。

先進性及創(chuàng)新性分析：采煤機整體式鏈輪是一種全新結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，通過對原采煤機鏈輪結(jié)構(gòu)分析，具體創(chuàng)新如下：改變原鏈輪根齒輪與齒軌輪分體式設(shè)計，根齒輪與齒軌輪采用過盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結(jié)構(gòu)強度；采煤機鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調(diào)心滾子軸承，徹底解決內(nèi)在軸向力問題。

5.2 效益分析

原進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采購價格為34.7 萬元，每次鏈輪分體需更換新鏈輪。而設(shè)計的采煤機整體式牽引鏈輪價格為12.4 萬元，每臺JOY 7LS6C 型采煤機一個大修周期平均使用12 件鏈輪，鏈輪分體占比約10%，采用采煤機整體式牽引鏈輪，1臺采煤機可節(jié)約費用22.3 萬元。按照公司在用JOY 7LS6C 型采煤機12 臺計算，整體式牽引鏈輪可節(jié)約267.6 萬元。

另外，采用采煤機整體式牽引鏈輪可降低采煤機的故障頻次，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本、維修成本，為企業(yè)安全高效生產(chǎn)提供保障。