采煤機拖纜裝置的改進設計

喬鉆鉆

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 運城 043300）

引言

目前，我國煤炭開采已經(jīng)逐步進入綜采時代，各種綜采設備采煤機、掘進機、輸送機等大型機電設備的可靠性直接決定綜采工作面的采煤效率。礦用電纜是煤礦綜采設備供電系統(tǒng)必不可少的部件，電纜的質(zhì)量及工作面對電纜的保護措施是否到位決定電能的傳輸是否穩(wěn)定、安全。采煤機托纜裝置主要用于對其電控系統(tǒng)和噴霧降塵系統(tǒng)的保護，以確保電纜及水管在采煤機牽引時不會出現(xiàn)折彎、擠壓的問題[1]。就目前而言，采煤機的托纜裝置仍然存在保護失效、電纜夾板偏移等問題，從而制約了煤礦的安全、高效生產(chǎn)。故，為保證煤礦機械化、自動化、高效率的生產(chǎn)，需對采煤機托纜裝置進行改進。

1 托纜裝置現(xiàn)狀的分析

實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)地質(zhì)、水文條件以及煤層特點選用最佳的采煤機方式。經(jīng)統(tǒng)計可知，我國主要采用長臂式采煤法，主要包括有炮采、普通機械化采煤以及綜采工作面的回采[2]。本文所研究的托纜裝置主要應用于MG250/600-QWD采煤機，該采煤機可用于傾角0°～45°煤層的開采。該采煤機的關鍵參數(shù)如表1所示。

1.1 采煤機電纜的類型

總得來講，由于我國材料行業(yè)相對落后導致采煤機電纜的發(fā)展受限。目前，應用于綜采工作面采煤機的電纜類型為A型和B型。在實際采煤過程中，電纜的線芯容易斷裂。導致工作面電纜線芯斷裂的主要原因包括有：采煤機結構不合理所導致；由于電纜內(nèi)導體、內(nèi)外絕緣層所采用材料的性能不如國外，導致其伸長性能及抗拉強度無法滿足實際生產(chǎn)的需求；采煤機托纜裝置的設計強度不夠以及采煤機本身的加工工藝相對落后等。

表1 MG250/600-QWD采煤機關鍵參數(shù)

1.2 托纜裝置的研究

1.2.1 托纜裝置的組成

為確保采煤機托纜裝置和高壓水管不被擠壓、折斷，采用托纜裝置對其線纜、高壓水管進行保護。將線纜、高壓水管置于電纜夾板中，將電纜夾板放置于刮板輸送機的電纜槽中[3]。目前，托纜裝置主要與刮板輸送機配合使用，使得采煤機沿煤壁前進時托纜裝置拉著電纜夾板前進。托纜裝置的結構如圖1所示。

圖1 托纜裝置結構組成示意圖

如圖1所示，托纜裝置主要由6個部件組成。其中，電纜夾板作為托纜裝置的關鍵零件，其強度、抗折彎強度以及壽命直接決定著采煤機供電系統(tǒng)電纜的安全。托纜裝置安裝于采煤機牽引機構的箱體上，導致其在實際生產(chǎn)中受到拉力、折彎等外力。

1.2.2 托纜裝置存在問題

托纜裝置雖然能夠在保護采煤機電纜及高壓供水管方面起到較好的效果，但是其在實際應用中常存在如下問題：

1）采煤機在前進過程中，托纜裝置存在被卡住的風險，從而導致其局部受力增大使得托纜裝置被夾斷，最終導致采煤機的電纜和高壓水管損壞。

2）采煤機在截割過程中，容易出現(xiàn)托纜裝置層疊的問題，若處理不及時會導致電纜及水管被擠壓出托纜裝置，導致線纜和水管受到摩擦繼而損壞。此外，人工拽直托纜裝置的層疊問題危險性較高。

3）電纜夾板與托纜裝置的通用性不高，使得電纜夾板與采煤機的連接方式不同。導致更換、拆卸、裝零件時的效率較低[4]。

綜上所述，為了滿足當前綜采工作面高效、快速、自動化的生產(chǎn)要求，急需對采煤機托纜裝置進行改進設計，使其能夠更好地與刮板輸送機配合，提升其在惡劣、復雜工作面的適應能力。

2 托纜裝置的改進設計

經(jīng)分析可知，在大傾角采煤工作面，采煤機托纜裝置所承受的局部應力較大，存在電纜夾板被夾斷的風險，且電纜彎頭存在被折彎的風險。本章節(jié)將針對上述問題對托纜裝置的結構進行改進設計。

2.1 托纜裝置伸縮臂的改進設計

伸縮臂作為采煤機托纜裝置的關鍵部件，其主要功能為控制托纜裝置沿著采煤機牽引方向的運動[5]。為了確保托纜裝置拖拽電纜、水管時具有高靈敏度、調(diào)節(jié)方便，特對伸縮臂做出如圖2所示的改進設計。

圖2 伸縮臂的改進設計

如圖2所示，伸縮臂主要由拖纜架、導軌、軌道、液壓伸縮缸以及牽引部箱體五部分組成。為了滿足托纜裝置高靈敏度、調(diào)節(jié)便捷的要求，將伸縮臂的導軌改進為T型鋼的結構形式，在提升其抗拉強度的同時降低了托纜裝置的制造成本；將導軌與拖纜架采用焊接的方式固定，為進一步提升其連接強度，在導軌與拖纜架之間增設加強筋；為液壓伸縮缸配置伸縮傳感器對液壓缸的實時工作狀態(tài)進行監(jiān)測，提升伸縮臂的靈敏度和控制精度；為了避免液壓伸縮缸受到剪切力，將液壓缸通過單耳環(huán)安裝的方式固定于牽引部的箱體上，同時將活塞桿與導軌采用鉸接方式連接。

基于ANSYS軟件對改進后的伸縮臂進行仿真分析可知，在極限工況下伸縮臂的最大應力出現(xiàn)在導軌與采煤機牽引部相連接的接觸面上，且最大應力為73 MPa，小于對應材料的許用應力。此外，導軌與拖纜架焊接接觸位置的應力為第二大，由于此處增設加強筋的原因，導致拖纜架的變形僅為0.2 mm。

總之，改進后伸縮臂滿足極限工況下的生產(chǎn)要求，可在實際生產(chǎn)中推廣應用。

2.2 轉(zhuǎn)動臂的改進設計

通過對轉(zhuǎn)動臂高度的調(diào)整實現(xiàn)拖纜裝置的拖纜高度。轉(zhuǎn)動臂的結構如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動臂結構的改進設計

如圖3所示，轉(zhuǎn)動臂主要由拖纜架、液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動器、拖纜輪以及搖臂四部分組成。轉(zhuǎn)動臂的改進主要體現(xiàn)在將其擺動角范圍控制在15°～75°之間，在對拖纜高度調(diào)節(jié)的同時，通過拖纜輪將電纜或高壓水管最易被折彎的部分拖起，從而增大了電纜或者高壓水管的折彎半徑，避免了電纜、高壓水管被折彎。

經(jīng)仿真分析，在極限工況下轉(zhuǎn)動臂的最大應力集中在回轉(zhuǎn)軸與搖桿相交接的位置，且最大應力為42 MPa，小于所選材料的需用應力；且搖臂的最大變形位于銷孔處，變形量為0.3 mm。

總之，改進后轉(zhuǎn)動臂滿足極限工況下的生產(chǎn)要求，可在實際生產(chǎn)中推廣應用。

3 結語

采煤機作為綜采工作面割煤設備，其工作效率和安全性直接決定綜采工作面的產(chǎn)煤效率和安全性。在實際生產(chǎn)中，采煤機托纜裝置盡管能夠?qū)崿F(xiàn)對其電纜及高壓水管的保護，但是仍然存在電纜、水管被折斷、損壞的情況。為此，需對采煤機拖纜裝置的關鍵部件伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂進行改進設計，通過增強其關鍵部位強度和增加托纜輪的高度解決電纜、高壓水管被折彎、損壞的問題。經(jīng)仿真分析，改進后的伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂可在實際生產(chǎn)中推廣應用。