采煤機(jī)短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀態(tài)分析

畢志軍

（山西科興能源發(fā)展有限公司，山西 高平 048400）

引言

滾筒是現(xiàn)代化綜采工作面的關(guān)鍵性設(shè)備，由于綜采工作面的地質(zhì)條件和煤巖屬性處于多變狀態(tài)，導(dǎo)致滾筒采煤機(jī)截割部承受的載荷主要呈現(xiàn)為重載、強(qiáng)沖擊的特點(diǎn)，從而對(duì)采煤機(jī)截割部造成極大的損傷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)為截割部的關(guān)鍵部件，其中，永磁同步電機(jī)相比于三相異步電機(jī)具有更好的可靠性、精度和響應(yīng)速度；傳動(dòng)系統(tǒng)目前以多級(jí)齒輪傳動(dòng)為主，在變載荷工況下的故障率高[1]。因此，針對(duì)當(dāng)前傳動(dòng)系統(tǒng)的問題采用兩級(jí)行星減速器配合齒形的鏈傳動(dòng)方式替代傳動(dòng)多級(jí)復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)對(duì)短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 采煤機(jī)截割部短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本節(jié)將在對(duì)采煤機(jī)故障現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，以MG250/601-WD 為載體重點(diǎn)完成短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)變速截割部的設(shè)計(jì)，包括將三相異步電機(jī)替換為匹配的永磁同步電機(jī)，將短鏈傳動(dòng)替代為齒輪傳動(dòng)。

1.1 采煤機(jī)截割部故障現(xiàn)狀分析

結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)情況和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，MG250/601-WD采煤機(jī)以截割部、牽引部和電控箱發(fā)生故障的頻次較高，其中，在一年的生產(chǎn)中截割部共發(fā)生故障的次數(shù)為79 次，包括搖臂齒輪箱發(fā)生故障的次數(shù)為45 次，滾筒發(fā)生故障的次數(shù)為14 次，截割電機(jī)發(fā)生故障的次數(shù)為20 次。

其中，截割電機(jī)故障類型主要包括為軸滾動(dòng)體、全套以及軸頸磨損嚴(yán)重、骨架油封容易損壞；同時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)在大負(fù)載工況下無法滿足生產(chǎn)需求，即無法保證采煤機(jī)適應(yīng)低速大扭矩的工況。當(dāng)前采煤機(jī)傳動(dòng)的減速箱以多級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)為主，在長(zhǎng)時(shí)間、大扭矩的工作下，齒輪箱內(nèi)齒輪主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕、磨損以及膠合等故障；齒輪箱內(nèi)的軸承也會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損、疲勞損傷以及保持架破裂等故障[2]。

總的來講，采煤機(jī)截割電機(jī)主要面臨的問題為無法提供低速大扭矩的使用要求；采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要面臨齒輪和軸承等部件出現(xiàn)頻率較高且較為嚴(yán)重的磨損、損傷等故障[3]。因此，為保證采煤機(jī)的高效生產(chǎn)，不僅需要對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，而且還需對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。本文所研究MG250/601-WD采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 MG250/601-WD 采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.2 采煤機(jī)截割部短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)采煤機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)存在無法保證低速大扭矩工況的問題，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)即可有效解決上述問題，此處不做過多贅述。針對(duì)傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的問題，采用短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行替代。改造總體思路為：將原傳動(dòng)系統(tǒng)的三級(jí)直齒減速器+行星齒輪的結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)為兩級(jí)行星減速器的結(jié)構(gòu)[4]。短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)截割部的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，改造后采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由永磁同步電動(dòng)機(jī)、減速器和齒形鏈傳動(dòng)組成。結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)工況，對(duì)應(yīng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)要求的裝機(jī)功率為250 kW，與之相匹配的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min（為滿足大扭矩的生產(chǎn)工況，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)小，即永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最起碼應(yīng)小于三相異步電動(dòng)機(jī)1 470 r/min）；滾筒額定轉(zhuǎn)速為40 r/min；要求整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所選型減速器的傳動(dòng)比為25∶1。

1.2.1 減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

結(jié)合25∶1 減速比的要求，本系統(tǒng)采用具有較大傳動(dòng)比特性的NGW 行星傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)動(dòng)力向齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞。同時(shí)，為保證行星傳動(dòng)減速裝置的耐磨性和強(qiáng)度要求，各級(jí)齒輪的零件材料選用20CrMnTi；為進(jìn)一步提升各級(jí)齒輪的韌性，對(duì)齒輪零部件進(jìn)行滲碳后的淬火處理，保證其表面硬度（HRC）達(dá)到57～62 的要求，零部件芯部的硬度（HRC）達(dá)到35～40 的要求。在綜合行星傳動(dòng)減速裝置減速比要求、傳動(dòng)穩(wěn)定性等，其內(nèi)部齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 NGW 行星傳動(dòng)減速裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.2 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)作為扭矩輸出的直接部件其不僅要承擔(dān)動(dòng)力傳動(dòng)的任務(wù)，而且還要改變動(dòng)力的傳遞方向。因此，對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度、耐磨性以及韌性等要求均要高于行星傳動(dòng)減速裝置各級(jí)齒輪的要求[5]。因此，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)涉及到的鏈板、導(dǎo)板以及鏈輪等選用力學(xué)性能更勝的50CRVA；同時(shí)，各零部件均還需完成滲碳淬火的熱處理。鏈輪為關(guān)鍵部件，結(jié)合GB/T 10855—2016 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際工況的負(fù)載，對(duì)應(yīng)鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

表3 鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的短鏈傳動(dòng)變速截割部的各級(jí)參數(shù)基于SolidWorks 三維軟件分別對(duì)行星齒輪、內(nèi)齒圈、導(dǎo)板、鏈板、銷軸以及鏈輪等零部件進(jìn)行建模，并根據(jù)各級(jí)零部件的約束關(guān)系完成行星減速器和齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配圖，最終形成短鏈傳動(dòng)截割部裝配模型，如圖2 所示。

圖2 短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)截割部裝配模型

將圖2 中的裝配模型進(jìn)行導(dǎo)入前處理后導(dǎo)入ADAMS 有限元分析軟件中，在完成模型編輯、約束添加以及網(wǎng)格劃分等操作后，根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際工況對(duì)負(fù)載進(jìn)行設(shè)置，對(duì)應(yīng)截割部滾筒的轉(zhuǎn)速為40 r/min，截割深度為800 mm，分別對(duì)牽引速度為3 m/min、4 m/min 和5 m/min 對(duì)應(yīng)的截割特性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 不同牽引速度對(duì)應(yīng)短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)截割部負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化

如表4 所示，隨著牽引速度的增加，對(duì)應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別增大1.3 倍和1.6 倍；負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)范圍分別增加1.4 倍和1.5 倍，均在合理范圍之內(nèi)。由此說明，短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)滾筒采煤機(jī)以三相異步電動(dòng)機(jī)和直齒齒輪為傳動(dòng)系統(tǒng)，存在扭矩小、故障率高的問題；本文采用永磁同步電機(jī)和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)替換傳統(tǒng)采煤機(jī)的傳動(dòng)方式，并最終對(duì)在不同牽引速度下短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估得出：隨著牽引速度的增加，對(duì)應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別增大1.3 倍和1.6 倍；負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)范圍分別增加1.4 倍和1.5 倍，均在合理范圍之內(nèi)。說明短鏈傳動(dòng)系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行。