采煤機(jī)截割部過載保護(hù)方式研究

李子彥

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037000）

1 電牽引采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和過載保護(hù)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

電牽引式采煤機(jī)主要由行走部、搖臂、液壓系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和其它輔助裝置組成。其中搖臂由減速機(jī)構(gòu)、截割電機(jī)、截割滾筒、連接板及截割調(diào)高油缸組成；行走部包括無鏈牽引機(jī)構(gòu)和內(nèi)外牽引齒輪減速箱，無鏈牽引機(jī)構(gòu)通常有銷軌、鏈條和齒條3種，其中鏈條式牽引系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)工作面波動(dòng)，可以適應(yīng)8°的傾斜角；電控系統(tǒng)包括變頻器、變壓器、電控箱，還有漏電保護(hù)、故障診斷的收集、判斷、處理、控制、狀況顯示、報(bào)警裝置等;液壓系統(tǒng)由液壓泵、控制元件和執(zhí)行元件組成；噴霧、潤(rùn)滑系統(tǒng)由動(dòng)力源、傳動(dòng)控制元器件等組成，輔助裝置由滑靴、機(jī)腿、破碎機(jī)及頂護(hù)板等組成[1]。

1.2 工作原理

采煤機(jī)主要通過裝載截齒的截割滾筒在行走機(jī)構(gòu)的牽引力和減速機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在井下實(shí)現(xiàn)采煤功能。采煤機(jī)利用截割滾筒的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)裝煤。割下的煤塊被螺旋葉片裝到刮板輸送機(jī)上進(jìn)行下一步運(yùn)送[2]。

1.3 現(xiàn)有采煤機(jī)截割部過載保護(hù)方式

國內(nèi)外目前現(xiàn)有的采煤機(jī)截割部一般采用扭矩軸傳動(dòng)進(jìn)行過載保護(hù)。截割電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸是在設(shè)計(jì)在花鍵槽后端的空心軸。扭矩軸則通過電機(jī)后端蓋穿過空心軸，一端配合電機(jī)輸出，另一端則與截割部減速器的A齒輪內(nèi)花鍵進(jìn)行嚙合，因?yàn)榕ぞ剌S是起過載保護(hù)作用的，故設(shè)計(jì)成兩頭帶有外花建、兩端較粗，中間細(xì)。為使得電機(jī)在承受沖擊載荷后能夠及時(shí)斷裂而起到保護(hù)作用，扭矩軸在后部外花鍵以內(nèi)軸上裝載圓弧形凹槽細(xì)頸。當(dāng)采煤機(jī)的截割滾筒受到瞬間沖擊或者發(fā)生悶車時(shí)，沖擊載荷大于電動(dòng)機(jī)的最大額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，扭矩軸會(huì)從細(xì)頸處產(chǎn)生斷裂，使得齒輪和其它零件不會(huì)被損壞。斷裂的扭矩軸可以通過其螺紋孔進(jìn)行更換。在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，扭矩軸的折斷扭矩值設(shè)定的恰當(dāng)與否，會(huì)直接影響截割部零部件的使用壽命，若是扭矩值設(shè)置過大，可能會(huì)導(dǎo)致截割部的電機(jī)燒壞或者部分結(jié)構(gòu)件損壞，但是扭矩值設(shè)置太小，扭矩軸則會(huì)經(jīng)常發(fā)生斷裂，給井下設(shè)備更換帶來極大的壓力，并且維修成本大大增加。增加煤礦生產(chǎn)成本，同時(shí)也會(huì)增加維修時(shí)間[3]。

2 限矩器（限扭矩聯(lián)軸器）分析

2.1 結(jié)構(gòu)組成

限矩器即扭矩限制器，在整個(gè)使用周期內(nèi)不需要調(diào)整，限矩器打滑之后也不用潤(rùn)滑和重置，可以很容易測(cè)得磨損量，不影響裝置運(yùn)行。其基本結(jié)構(gòu)是5個(gè)主要零件組成的，分別是傳動(dòng)法蘭、壓力板、輸出毅、彈簧組件和摩擦片。傳動(dòng)法蘭通過一個(gè)聯(lián)軸器聯(lián)接在主動(dòng)件上，輸出毅則通過自潤(rùn)滑襯套安裝在傳動(dòng)法蘭內(nèi)，彈簧組件在壓力板和傳動(dòng)法蘭之間形成加緊力，采用顏色對(duì)彈簧組件力大小進(jìn)行編碼。通過彈簧組件組合可以獲得扭矩的設(shè)定值，通常在齒輪箱的輸入軸中安裝輸出毅[4]。

2.2 工作原理

電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)好比大型飛輪，基本上可以占有驅(qū)動(dòng)系總動(dòng)能的80%～90%，若是采煤機(jī)突然停機(jī)在情況下承受瞬間過載沖擊時(shí)，飛輪效應(yīng)則產(chǎn)生遠(yuǎn)高于額定扭矩的慣性沖擊，限矩器會(huì)阻止扭矩傳遞，摩擦盤、主動(dòng)機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，進(jìn)而形成對(duì)采煤機(jī)截割部的過載保護(hù)作用。

聯(lián)軸器的種類非常多，聯(lián)軸器和限矩器組合形成限扭矩的聯(lián)軸器，在結(jié)構(gòu)上稍做處理即可，通過摩擦力傳遞扭矩，它的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將聯(lián)軸器的輪毅更換成傳動(dòng)摩擦盤，傳動(dòng)摩擦盤被安裝在限矩器摩擦片中間。限扭矩聯(lián)軸器是否可有效地起過載保護(hù)作用，取決于限扭矩聯(lián)軸過載的保護(hù)能力，但是主動(dòng)鏈輪與摩擦盤的摩擦力矩大小決定限扭矩聯(lián)軸器的過載保護(hù)能力，可通過調(diào)節(jié)螺絲來調(diào)整蝶形彈簧的彈力進(jìn)行調(diào)整摩擦力矩大小，在符合采煤機(jī)的工作負(fù)載強(qiáng)度的要求下，通過設(shè)置限扭矩聯(lián)軸器的傳遞扭矩，如果所傳遞的扭矩值高于額定扭矩時(shí)，限矩器則通過摩擦盤和主動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)，限制扭矩的傳遞，從而起到很好的過載保護(hù)作用[5]。

2.3 設(shè)計(jì)要素

2.3.1 摩擦元件

摩擦元件是限扭矩聯(lián)軸器運(yùn)行的核心部件，常見的摩擦片類型有：

（1）傳動(dòng)盤摩擦片。摩擦傳動(dòng)盤是由傳動(dòng)盤與摩擦材料組合成一體，由限矩器的夾持鋼盤和傳動(dòng)盤的摩擦進(jìn)行傳遞動(dòng)力。

（2）浮動(dòng)摩擦片。摩擦片與傳動(dòng)盤則是互相分離的。浮動(dòng)摩擦片的成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（3）有導(dǎo)向孔的摩擦片。該摩擦片有著較好的軸向補(bǔ)償功能。

2.3.2 摩擦元件材料

摩擦元件材料的質(zhì)量是影響限扭矩聯(lián)軸器的過載保護(hù)能力的主要因素，所以摩擦元件的材質(zhì)需要具有很好的質(zhì)量。比如摩擦材料需要有很高而且保證摩擦因數(shù)穩(wěn)定，具備良好的抗磨性和耐熱性能，具有良好的工藝性能和機(jī)械強(qiáng)度。紙基摩擦材料和石棉基摩擦材料是比較常用的耐摩擦材料。石棉基摩擦材料有著摩擦因數(shù)高，價(jià)格低，制作方便，應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但耐熱性和導(dǎo)熱較差。紙基摩擦材料則適用于油介質(zhì)，摩擦系數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的，靜動(dòng)摩擦因數(shù)的差距不大，均為0.13～0.15。

3 限矩器實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)的方案

為解決采煤機(jī)的截割部在工作時(shí)受到較大的沖擊載荷后引起傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件電機(jī)燒壞或產(chǎn)生損壞的問題，提出使用限矩器替代扭矩軸過載的保護(hù)方案。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是由輸入電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器一限矩器組成。安裝聯(lián)軸器則能有效解決的輸入輸出軸不同心問題，同時(shí)限矩器設(shè)置一個(gè)合理的額定安全值，很好地保護(hù)了整體傳動(dòng)系統(tǒng)，減小沖擊載荷，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，而且整套保護(hù)裝置是免維修的[6]。

（1）方案一：限矩器安裝在減速器和電機(jī)中間。

保護(hù)裝置通過電機(jī)內(nèi)花鍵與聯(lián)軸器一限矩器的外花鍵聯(lián)接，減速器齒輪內(nèi)花鍵與另一端聯(lián)接來進(jìn)行傳遞動(dòng)力和扭矩，給限矩器預(yù)先設(shè)定好一個(gè)額定的扭矩值后，當(dāng)搖臂在截割時(shí)，遇到?jīng)_擊載荷高于電機(jī)最大輸出能力之后，限扭矩聯(lián)軸器則會(huì)通過打滑進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整套的傳動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)。在該裝置中裝載聯(lián)軸器，可解決電機(jī)在輸入和輸出軸在加工中出現(xiàn)不必要的不對(duì)稱J險(xiǎn)，利用限扭矩聯(lián)軸器控制截割部的傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷波動(dòng)，進(jìn)而保護(hù)整套傳動(dòng)系統(tǒng)的限矩過載[7]。

（2）方案二:在電機(jī)尾部安裝限矩器。

傳動(dòng)軸由截割電機(jī)的空心轉(zhuǎn)子軸的一端與一級(jí)直齒輪的內(nèi)花鍵進(jìn)行聯(lián)接，另一端和限矩器的內(nèi)花鍵進(jìn)行聯(lián)接，限矩器的外花鍵則與電機(jī)的輸出內(nèi)花鍵進(jìn)行聯(lián)接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)扭矩和動(dòng)力的傳遞，由此傳動(dòng)軸就會(huì)把電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)軸、限矩器、行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、A齒輪傳遞到截割滾筒上。采煤機(jī)滾筒受到突然的沖擊載荷時(shí)，負(fù)載可能會(huì)超過電機(jī)的最大額定轉(zhuǎn)矩，限矩器則通過打滑來保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)的[8]。

4 結(jié)論

（1）此傳動(dòng)使用限矩聯(lián)軸器扭矩的保護(hù)裝置后，當(dāng)采煤機(jī)的截割部受到較強(qiáng)的沖擊載荷時(shí)，超過電機(jī)額定扭矩后，限矩器的主動(dòng)機(jī)與摩擦傳動(dòng)盤開始打滑，限制扭矩的傳遞，吸收一部分沖擊載荷，減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊，起到過載保護(hù)的作用。

（2）使用限矩聯(lián)軸器扭矩的保護(hù)裝置有兩種安裝位置的方案，不僅適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，而且取代了扭矩軸，進(jìn)而降低了煤礦設(shè)備故障發(fā)生率和維護(hù)成本。