MG250/600-QWD型采煤機(jī)拖纜裝置系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)研究

安 琦

（霍州煤電集團(tuán)霍源通新產(chǎn)業(yè)投資有限公司，山西 霍州 031400）

1 引 言

采煤工作面供電電纜的保護(hù)以及拖拽均是采用拖纜裝置來(lái)進(jìn)行。為了避免電纜在使用過(guò)程造成故障，確保電纜的安全性，用拖纜裝置中的電纜夾板將采煤機(jī)電纜保護(hù)起來(lái)，再進(jìn)行拖拽。但是，根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)使用反饋，目前使用的拖纜裝置對(duì)電纜的保護(hù)效果不是很理想，常常出現(xiàn)電纜夾板偏移，對(duì)于不同種類(lèi)的電纜夾板相互轉(zhuǎn)接困難。電纜拖纜裝置的電纜夾板在使用時(shí)，因頻繁拖動(dòng)與電纜槽發(fā)生滑動(dòng)、摩擦等作用，電纜夾板就容易損壞，結(jié)果電纜裝置因磨損失效，造成電纜裝置中的拖纜經(jīng)常更換，使得采煤工作面勞動(dòng)強(qiáng)度高、勞動(dòng)量增加，大大增加了礦井生產(chǎn)成本。為了保護(hù)采煤工作面人員安全，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益，本文對(duì)采煤機(jī)中的拖纜裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、優(yōu)化。

2 拖纜裝置中伸縮臂和轉(zhuǎn)動(dòng)臂優(yōu)化改進(jìn)

2.1 伸縮臂優(yōu)化

MG250/600-QWD型采煤機(jī)拖纜裝置系統(tǒng)伸縮臂是調(diào)節(jié)拖纜裝置移動(dòng)的重要構(gòu)成部分，在使用過(guò)程中必須要滿(mǎn)足拖拽電纜和水管的能力，要求靈敏度高，方便調(diào)節(jié)。圖1為優(yōu)化改進(jìn)后拖纜裝置的伸縮臂簡(jiǎn)圖。伸縮臂是由起支撐作用的拖纜架、類(lèi)似軌道的導(dǎo)軌和提供動(dòng)力的伸縮液壓缸等結(jié)構(gòu)組成。礦井使用的伸縮臂導(dǎo)軌材料強(qiáng)度不夠，伸縮臂經(jīng)常發(fā)生故障，本次決定對(duì)伸縮臂的導(dǎo)軌材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。導(dǎo)軌材料設(shè)計(jì)為在基礎(chǔ)材料之上增加厚T型鋼，設(shè)計(jì)出來(lái)的伸縮臂具有加工方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)；礦井伸縮臂的拖纜架和導(dǎo)軌時(shí)有發(fā)生脫落現(xiàn)象，為了改善這個(gè)問(wèn)題，拖纜架和導(dǎo)軌連接方式改進(jìn)為焊接，并輔以可伸長(zhǎng)四十多毫米的增強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)固接；把MG250/600-QWD型采煤機(jī)牽引部與軌道改進(jìn)為合并連接；監(jiān)測(cè)提供動(dòng)力伸縮液壓油缸油液變化的傳感器，經(jīng)常受到污染，監(jiān)測(cè)精度不夠，無(wú)法保障動(dòng)力，本次把傳感器改為磁質(zhì)材料，優(yōu)點(diǎn)在于精度和靈敏度高，且不易受其他雜質(zhì)污染，控制和維護(hù)方便。為了避免伸縮液壓缸剪切破壞，尾部單耳環(huán)安裝伸縮液壓缸，布置在采煤機(jī)牽引部的上部，其中，活塞與導(dǎo)軌是活動(dòng)式的鉸接。

圖1 優(yōu)化改進(jìn)后拖纜裝置的伸縮臂簡(jiǎn)圖

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)臂優(yōu)化

轉(zhuǎn)動(dòng)臂調(diào)整拖纜裝置的拖纜高度。為了改進(jìn)使用的雙蝸桿液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難、檢修不便等缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)臂采用SE系列單蝸桿液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。原連接方式常常引起轉(zhuǎn)動(dòng)臂出現(xiàn)故障，本次搖臂與拖纜架的連接改進(jìn)為鉸接方式，拖纜輪與搖臂的連接改進(jìn)為轉(zhuǎn)軸連接。轉(zhuǎn)動(dòng)臂在運(yùn)行過(guò)程中使用的纜繩采用聚合塑料尼龍，該材質(zhì)較輕，能夠抗靜電，符合井下使用標(biāo)準(zhǔn)，且還可為拖拽減輕重量，耐磨性能好。拖纜裝置中的轉(zhuǎn)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化改進(jìn)后拖纜裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)臂簡(jiǎn)圖

3 拖纜裝置中過(guò)載保護(hù)及安全銷(xiāo)

3.1 增加過(guò)載保護(hù)

拖纜裝置實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)采煤機(jī)斷電，在采煤機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)電纜夾板被卡住等問(wèn)題，出現(xiàn)故障容易造成電纜夾板局部應(yīng)力突然增大，一旦超過(guò)應(yīng)力屈服，電纜夾板就被折斷，進(jìn)而使得電纜和水管受拉應(yīng)力作用被破壞，導(dǎo)致采煤工作停止，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生安全傷亡事故。拖纜裝置中的過(guò)載保護(hù)就是為防止或減小此情況而設(shè)計(jì)。

圖3為拖纜裝置中優(yōu)化改進(jìn)后的過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)。過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)主要由拖纜架、安全銷(xiāo)、滑板、行程開(kāi)關(guān)等部件組成。電纜、水管在卡釘作用下固定于滑板上，滑板在拖纜架上滑動(dòng)，擋板設(shè)置在兩側(cè)阻擋，用于防止跑偏。觸頭通過(guò)拖纜架和滑板的腰形通孔固定，使得滑板與拖纜架成為一個(gè)整體。在拖纜架下方設(shè)置行程開(kāi)關(guān)，目的是行程開(kāi)關(guān)和PLC控制器間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，PLC發(fā)出停機(jī)信號(hào)，閉合行程開(kāi)關(guān)，MG250/600-QWD型采煤機(jī)停止割煤，行程開(kāi)關(guān)接到開(kāi)機(jī)信號(hào)后立即執(zhí)行斷開(kāi)命令，采煤機(jī)正常割煤。

圖3 優(yōu)化改進(jìn)后拖纜裝置的過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 安全銷(xiāo)選擇及強(qiáng)度校核

若電纜槽不慎落入煤塊或者巖塊，拖纜裝置中的電纜夾板就容易卡死，但此時(shí)采煤機(jī)還在繼續(xù)工作，電纜夾就會(huì)受到過(guò)大拉力作用，造成拖纜鏈帶動(dòng)滑板與拖纜架產(chǎn)生滑動(dòng)卡死，連接滑板與電纜架的安全銷(xiāo)受到剪切作用發(fā)生斷裂，此時(shí)，滑板就完全失去了約束作用。因此，本次改進(jìn)設(shè)計(jì)了過(guò)載保護(hù)。觸頭松動(dòng)滑行，一旦觸碰到行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)受到觸碰作用后自動(dòng)閉合，反饋給PLC控制器，控制器接收到信號(hào)后作出停機(jī)命令，既保護(hù)了電纜、水管、電纜夾，還避免了安全事故。當(dāng)故障修復(fù)后，行程開(kāi)關(guān)恢復(fù)原位，MG250/600-QWD型采煤機(jī)繼續(xù)執(zhí)行割煤工作。

根據(jù)上面分析，說(shuō)明安全銷(xiāo)在拖纜裝置中具有重要作用，主要是固定鏈接滑板和拖纜架。例如電纜夾板遇到卡死等過(guò)載情況下，能夠起到輔助保護(hù)整個(gè)裝置的作用。

為了選擇性能更加優(yōu)良的安全銷(xiāo)，首先對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。為了計(jì)算方便，把拖纜架、滑板和安全銷(xiāo)看作為一個(gè)整體，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要分析計(jì)算。

假定安全銷(xiāo)最大拉力為Fmax，其直徑為d，工作中能夠承受的最大剪切力為Fjmax，根據(jù)材料力學(xué)可知：

式中：

K-載荷系數(shù)，查手冊(cè)可取K=1.2。

當(dāng)安全銷(xiāo)被拉斷時(shí)，安全銷(xiāo)的強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：

[τ]- 許用剪應(yīng)力，MPa；

Fjmax-最大剪切力，kN；

d-安全銷(xiāo)直徑，mm。

安全銷(xiāo)材料選擇45#鋼，工藝處理為淬火加工，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢(xún)可得其許用剪應(yīng)力為420MPa，按最危險(xiǎn)的情況考慮和煤礦電纜夾板標(biāo)準(zhǔn)要求，安全銷(xiāo)最大拉斷力選擇40kN。代入上述安全銷(xiāo)強(qiáng)度計(jì)算公式得d≤11.55mm，本次改進(jìn)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中選擇直徑為10mm的安全銷(xiāo)。

4 優(yōu)化改進(jìn)后的性能

為了驗(yàn)證MG250/600-QWD型采煤機(jī)拖纜裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的效果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在霍州煤電辛置礦工作面采煤機(jī)工作過(guò)程中，拖纜裝置相對(duì)于自身坐標(biāo)系位置的不同，通過(guò)伸縮臂和轉(zhuǎn)動(dòng)臂進(jìn)行不斷調(diào)整，直到達(dá)到要求為準(zhǔn)。在拖纜裝置中各個(gè)結(jié)構(gòu)上安裝傳感器收集數(shù)據(jù)。采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上被牽引，相對(duì)于原始空間坐標(biāo)系在不斷的變化，設(shè)置關(guān)節(jié)變量，以時(shí)間為橫軸、坐標(biāo)系中的關(guān)節(jié)變量為縱軸采集采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，整理得到了關(guān)節(jié)變量與采煤機(jī)拖纜裝置運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。其中關(guān)節(jié)起始值對(duì)應(yīng)拖纜裝置起始工作時(shí)間，在試驗(yàn)過(guò)程中整理了四個(gè)不同情況下的拖纜裝置工作，如圖4所示。

從上圖四種狀態(tài)可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后的新型拖纜裝置的結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足煤礦井下惡劣環(huán)境的要求，表明具有可行性。

對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)顯示，拖纜架和導(dǎo)軌能夠承受的最大應(yīng)力可達(dá)81.273MPa，采煤機(jī)牽引部與導(dǎo)軌的接觸處為最大應(yīng)力所在位置，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改進(jìn)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)的材料許用強(qiáng)度值，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。在原導(dǎo)軌和拖纜架容易造成變形的地方監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，拖纜架在工作中的最大變形量未超過(guò)2.5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于改進(jìn)優(yōu)化前的變形量，在此處改進(jìn)設(shè)計(jì)了增強(qiáng)筋，增強(qiáng)筋大大降低了局部應(yīng)力，滿(mǎn)足采煤機(jī)在工作中的使用要求。在搖臂回轉(zhuǎn)軸和搖桿連接處檢測(cè)到最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為45.105MPa，該值未超出使用材料的許用強(qiáng)度值，說(shuō)明滿(mǎn)足性能使用要求。在搖臂銷(xiāo)軸孔位置，其最大的變形量為0.35mm，與改進(jìn)前的搖臂變形量相比，變形量較小，表明能夠滿(mǎn)足MG250/600-QWD型采煤機(jī)的電纜拖拽使用要求。

圖4 采煤機(jī)工作中監(jiān)測(cè)拖纜裝置中各個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)變量與時(shí)間關(guān)系

5 結(jié)論

（1）針對(duì)拖纜裝置中伸縮臂和搖動(dòng)臂結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，從材料、加工工藝、連接方式等方面對(duì)伸縮臂和搖動(dòng)臂重新進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（2）在拖纜裝置系統(tǒng)中增加了過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)，重新對(duì)安全銷(xiāo)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

（3）把改進(jìn)優(yōu)化后的MG250/600-QWD型采煤機(jī)拖纜裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明改進(jìn)優(yōu)化后的拖纜裝置能夠滿(mǎn)足使用要求。