便于維護的采煤機搖臂系統(tǒng)的設計

白雪巖

（西山煤電東曲礦組干科， 山西 古交 030200）

引言

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，搖臂系統(tǒng)是實現滾筒截割高度的關鍵部件，其行星頭容易損壞，且對行星頭的維護成本較高、耗時較長[1]。因此，降低采煤機搖臂系統(tǒng)的故障率，降低行星頭的維護成本和耗時對提高工作面的采煤效率是十分有必要的。

1 便于維護的采煤機搖臂系統(tǒng)結構的整體設計方案

1.1 整體設計要求

便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)的設計是基于傳統(tǒng)行星齒輪傳動的采煤機進行改造設計的，以解決傳統(tǒng)采煤機行星齒輪傳動時容易發(fā)生故障的問題。針對該問題所采用的整體改造思路是將傳統(tǒng)行星傳動齒輪改進為平行輪傳動[2]。此外，所改造設計的平行輪傳動搖臂系統(tǒng)需滿足如下要求：

1）平行輪傳動的搖臂系統(tǒng)需與當前采煤機的整體結構相配套，尤其是搖臂系統(tǒng)的外形尺寸與滾筒、支架等部件的連接；

2）確保改造設計后的平行輪傳動搖臂系統(tǒng)能夠適用于中部斷面的生產，即確保采煤機搖臂系統(tǒng)能夠完成對機頭、機尾以及三角煤的截割任務；

3）要求改造設計后的平行輪傳動搖臂系統(tǒng)在垂直截割任務中向上傾斜5°時不會截割到液壓支架的頂梁；

4）確保改造設計后的平行輪傳動搖臂系統(tǒng)滿足最大液壓支架的支護高度要求。

1.2 結構優(yōu)化

確定采煤機搖臂系統(tǒng)的總體改造思路后，基于ANSYS 軟件對傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)的殼體進行數值模擬分析，分析采煤機搖臂系統(tǒng)殼體的最大應力和最大變形的位置。經仿真分析可得，采煤機搖臂系統(tǒng)最大應力以及變形最大的位置處于滾筒處和搖臂下端鉸接的位置處。

結合搖臂系統(tǒng)的數值模擬分析結果，通過對平行齒輪傳動系數進行改造，主要從平行輪的齒輪數比、齒輪軸的布置以及齒輪軸承選型提升采煤機搖臂系統(tǒng)殼體的抗壓強度。

綜合各項因素最終確定：便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)的殼體采用焊接和鑄造的方式。其中，為提升搖臂系統(tǒng)輸出端的強度和裝電機的殼體的強度采用鑄造的方式成形，而其余部位采用高強度鋼焊接而成，高強度鋼分別為Q550 和Q690[3]。經對便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)殼體結構尺寸進行優(yōu)化后，其殼體最終尺寸為5 040 mm×2 600 mm×1 700 mm，與傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)的長度相比長300 mm，較傳統(tǒng)采煤機搖臂系統(tǒng)的質量重5 500 kg。

2 便于維護的采煤機搖臂系統(tǒng)的細節(jié)設計

由1.2 研究可知，可通過優(yōu)化采煤機搖臂系統(tǒng)中齒輪軸軸承的選型、齒輪軸的布置形式以及平行輪齒輪的傳動比提高搖臂系統(tǒng)的抗壓強度。而且，在實際工作中采煤機搖臂系統(tǒng)中的軸承和齒輪為故障率最高的部件，其后期維修成本和耗時均較高。本節(jié)著重完成對便于維護搖臂系統(tǒng)的齒輪軸軸承齒輪的設計。

2.1 齒輪軸軸承的設計

便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)的總體尺寸比傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)長300 mm，且總質量也重5 500 kg。因此，需為便于維護搖臂系統(tǒng)選用承載能力更大的軸承，從而保障搖臂系統(tǒng)的使用壽命。經統(tǒng)計，便于維護搖臂系統(tǒng)中共含有13 個軸承[4]。本文將以其中的最小軸承為研究對象，對比傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)和便于維護搖臂系統(tǒng)的軸承。二者之間的尺寸對比如表1 所示。

如表1 所示，便于維護搖臂系統(tǒng)的軸承厚度大于傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)軸承厚度5 mm。

表1 軸承尺寸對比

此外，NJ2222ECML 為直線運動球軸承，在軸承外圈安裝有保持器。保持器中有很多鋼球一直做無限循環(huán)運動。采用NJ2222ECML 直線運動球軸承能夠減小搖臂系統(tǒng)在升降運動中的摩擦因素，從而減小在截割狀態(tài)下對搖臂系統(tǒng)的磨損。

2.2 齒輪的設計

便于維護搖臂的傳動系統(tǒng)由傳統(tǒng)的行星齒輪傳動改進為平行輪傳動，且傳動等級由原先的7 級改進為當前的5 級。便于維護搖臂系統(tǒng)采用5 級平行輪傳動，具有比行星傳動更高的穩(wěn)定性，可適用于沖擊載荷更大的場合工作[5]。為提高便于維護搖臂系統(tǒng)齒輪的耐磨性和抗壓強度，其材質選型為8Cr2Ni4WA 的高強度優(yōu)質鋼。便于維護搖臂系統(tǒng)中各級齒輪的參數如表2 所示。

表2 便于維護搖臂系統(tǒng)中各級齒輪參數

此外，為進一步提升搖臂系統(tǒng)齒輪傳動系統(tǒng)的抗沖擊載荷能力，為搖臂系統(tǒng)均勻布置4 個過載剪切銷。基于新增的4 個過載剪切銷，能夠將齒輪傳動系統(tǒng)的抗沖擊載荷能力提高3 倍以上。

3 便于維護的采煤機搖臂系統(tǒng)的應用效果分析

將上述初步設計的便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)應用于實際生產中，并通過在實際生產中遇到的問題對搖臂系統(tǒng)進行進一步地優(yōu)化和改進。實踐表明，將平行輪傳動的搖臂系統(tǒng)應用于實際生產中，并以1年的試用期為限，統(tǒng)計其搖臂系統(tǒng)所存在的問題和維護的耗時。便于維護采煤機搖臂系統(tǒng)的應用效果與傳統(tǒng)搖臂系統(tǒng)對比結果如表3 所示。

表3 便于維護搖臂系統(tǒng)應用效果

4 結語

采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其生產能力直接決定了工作面煤炭的開采效率。采煤機搖臂系統(tǒng)為根據煤層特點調整其截割高度的關鍵部件，在實際生產中搖臂系統(tǒng)故障率較高，嚴重影響了綜采工作面的采煤效率。為此，采用平行輪傳動替代行星輪傳動的改造方式，并為其選用抗沖擊載荷能力更強的軸承和齒輪。經實踐表明，平行輪傳動的搖臂系統(tǒng)的故障率降低20%，平均維護時間減少120 h。