采煤機行走箱優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

＊李檸檸

（山西忻州神達晉保煤業(yè)有限公司 山西 036600）

引言

采煤機作為煤礦開采的主要設(shè)備，其穩(wěn)定可靠的運行對于礦井生產(chǎn)效率和安全性至關(guān)重要。采煤機的行走箱作為其核心組成部分之一，在采煤工作中起到支撐、行走和傳動的重要作用。然而，長期以來，行走箱故障頻發(fā)，導(dǎo)致采煤機維修時間增加，降低了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。因此，對采煤機行走箱的故障進行深入研究，并提出優(yōu)化設(shè)計方案，對于提高采煤機的可靠性和使用壽命具有重要意義。

1.采煤機行走箱技術(shù)現(xiàn)狀

行走箱為采煤機的核心構(gòu)成部分，影響著采煤機的工作狀態(tài)。行走箱中包含多個部件，如殼體、驅(qū)動輪組件、行走輪組件和導(dǎo)向滑靴，不同部件在相互配合下可提高行走箱的可靠性。采煤機的牽引部作為必不可少的部分，借助花鍵軸為動力傳遞創(chuàng)造理想條件，動力到達驅(qū)動輪時，采煤機即可進入工作狀態(tài)。許多煤礦因生產(chǎn)條件的復(fù)雜性，在作業(yè)中為大采高采煤機行走箱，該設(shè)備為一級變速齒輪傳動，驅(qū)動輪與行走輪組件的大齒輪存在嚙合關(guān)系，從關(guān)系上能促進轉(zhuǎn)矩的傳送。現(xiàn)階段行走箱雖對煤礦生產(chǎn)作業(yè)具有一定作用，但其在長期使用中暴露了諸多不足：新工作面上采煤機工作時，作業(yè)期間的煤粉較少，無法起到潤滑作用，增大了行走輪與銷排、導(dǎo)向滑靴與銷排之間的摩擦阻力，運行期間伴隨著較大低噪音，牽引電機的載荷量過大；殼體為軟性材料，運行期間伴隨著交變應(yīng)力作用，在該作用的持續(xù)影響下，方軸與殼體之間的間隙偏大，超出了正常標(biāo)準，如未及時控制此問題，松動、跟轉(zhuǎn)故障的出現(xiàn)頻次高，危害大；井下行走輪軸不易拆卸，工作量大，安全隱患多[1]?，F(xiàn)有的許多采煤機行走箱設(shè)計更多地集中在理論方面，并未保持理論與實踐的結(jié)合，這是未來需著力關(guān)注的方面。

2.采煤機行走箱改進設(shè)計

(1)滴油潤滑裝置

采煤機行走箱在運行期間，滴油潤滑裝置必不可少，如能配備高性能的滴油潤滑裝置，能有效減少摩擦，并降低磨損危害，使行走箱高效運行。結(jié)合行走箱的工作特點，其滴油潤滑裝置一般布設(shè)在行走箱殼體頂部開槽區(qū)域，在該裝置蓋板上，設(shè)有1個內(nèi)六角螺塞，其在整個系統(tǒng)的運行中可作為加油口使用，下端布設(shè)有2個滴油口，從垂直角度，滴油口與驅(qū)動輪、行走輪齒寬中心完全對應(yīng)，此結(jié)構(gòu)特征下決定了該裝置的潤滑效果[2]。滴油潤滑裝置的構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 滴油潤滑裝置結(jié)構(gòu)示意圖

滴油口有中心鉆孔螺栓、毛氈，此裝置運行期間，往油箱中注入一定的工業(yè)齒輪潤滑油，當(dāng)潤滑油浸潤過毛氈后經(jīng)由螺栓孔滴下，左、右側(cè)滴油口的潤滑部位有所不同，分別為潤滑驅(qū)動輪、行走輪。兩滴油口螺栓部位用防松鋼絲拴緊，以防止在強大的振動作用下導(dǎo)致螺栓松動或者脫落。結(jié)合大量的實際經(jīng)驗，新工作面采煤機的齒軌、銷排嚙合期間，配備滴油潤滑裝置以后，對改善嚙合噪聲、減小牽引阻力有顯著作用。

(2)增加耐磨套

行走輪組件中的中心軸，在設(shè)備工作中的作用突出，正常情況下中心軸為雙向受力，既有來自軸向的作用力，也承受徑向作用力。因為此工作特點，在與行走箱殼體配合段需增設(shè)方形定位，有效預(yù)防跟轉(zhuǎn)問題。但因為行走箱殼體為軟性材料，其在與其他部件配合工作期間易出現(xiàn)塑性變形。為此，考慮到此現(xiàn)象，行走輪中心軸、殼體配合段應(yīng)使用42CrMo材質(zhì)鋼套，以增強殼體強度，使中心軸正常工作[3]。改進前后的結(jié)構(gòu)情況，如圖2所示。

圖2 改進前后結(jié)構(gòu)對比

(3)新型支撐套結(jié)構(gòu)

原有結(jié)構(gòu)中的鋼套、殼體配合長度略深，一旦軸端承受較大的作用力，該作用力擠壓下導(dǎo)致鋼套與殼體之間相互粘結(jié)，但由于井下空間相對狹小，幾乎無法拔出，行走輪軸的退出困難，影響了采煤機的正常工作。出于上述考慮，一般需整體更換行走箱，但此方式下檢修人員的工作量較大。煤礦生產(chǎn)作業(yè)中還會遇到以下特殊情況：更換的舊行走箱送到機修廠時，應(yīng)利用頂絲抽拔支撐鋼套，無法使行走輪軸承受設(shè)備壓力作用，此情況下必須切割支撐套順利取出行走輪軸，上述情況下考慮配備全新的支撐套結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)將支撐套劃分為兩個部分，煤側(cè)壁端蓋、殼體配合深度淺，上面使用大頂絲并用螺堵做好密封工作，此結(jié)構(gòu)下煤渣無法進入，對預(yù)防堵塞現(xiàn)象非常有效。此外，另一側(cè)鋼套從行走箱內(nèi)側(cè)裝配，相關(guān)人員在按照相應(yīng)要求拆除端蓋后可直接配備專業(yè)工具，順利頂出行走輪軸[4]。如在實際的工作中遭遇突發(fā)性問題，行走輪軸的抽出受阻，應(yīng)整體更換行走箱，在機修廠內(nèi)借助壓力機的作用，壓出行走輪軸。

(4)選用自潤滑軸承

配備特定型號的密封軸承，如SKF兩側(cè)有密封膠圈的密封軸承，這類型軸承的內(nèi)部自帶潤滑脂，即使在高污染環(huán)境中，這類型軸承也能保障最佳的使用性能，且后續(xù)的維修工作相對簡單，能滿足煤礦作業(yè)的工作需求。

(5)行走電氣與變頻系統(tǒng)

①基本情況

采煤機右前方、左前方分別有電氣控制箱、變頻器，二者的控制對象有所區(qū)別，分別為截割電機、行走電機。為了給采煤機運行提供電力資源，礦井供電系統(tǒng)與電氣控制箱之間應(yīng)建立可靠的連接關(guān)系，從電氣控制箱接入變頻器供電，只要礦井供電連續(xù)、穩(wěn)定與安全，變頻器就有電力保障。變頻器利用變頻器箱將其控制、反饋信號與電氣控制箱相聯(lián)系，即可營造良好的通信條件，保障通信便捷性，及時解決設(shè)備運行中的問題[5]。

電氣系統(tǒng)驅(qū)動單元的電機數(shù)量為8個，能為液壓、裝運、除塵、牽引等機構(gòu)提供電力資源，保障這些機構(gòu)能各自發(fā)揮其作用。行走機構(gòu)在正常狀態(tài)有額定的電壓，功率分別為1140V、55kW。電氣控制箱內(nèi)的部件眾多，有斷路器、保護元件等，這些部件能在遭遇特殊情況時及時進入保護狀態(tài)，避免電氣故障范圍的持續(xù)擴大。

變頻系統(tǒng)為交直流相互轉(zhuǎn)換模式，其系統(tǒng)內(nèi)的IGBT是主控元件，其可靠性非常高，兼具諸多優(yōu)勢，如啟動電流相對較小，輸出力矩非常大。變頻系統(tǒng)內(nèi)的硬件包含電源、通訊、訊號檢測等多個模塊，性能優(yōu)越，當(dāng)變頻系統(tǒng)進入運行狀態(tài)后，IGBT的啟動電流、輸出力矩分別保持在較低水平、較高水平。

變頻系統(tǒng)內(nèi)配備的是四象限變頻器，其特殊性在于整流部分安裝有IGBT功率元件，此結(jié)構(gòu)特點下，交直流電轉(zhuǎn)換簡單，不再受到諸多限制，電能的雙向傳輸更為高效和安全。上述特點能避免采煤機下坡期間因行走機構(gòu)發(fā)電導(dǎo)致變壓器過壓，并能高質(zhì)量完成電氣制動，保障制動過程中的能量能回饋到電網(wǎng)被再次利用，提高電力資源的綜合利用率。另外，電網(wǎng)中即使并無高電壓通過，四象限變頻器也能輸出1140V高電壓，使電機能順利輸出轉(zhuǎn)矩，維持電機最佳的運行狀態(tài)[6]。

②行走變頻系統(tǒng)的優(yōu)化

在煤礦作業(yè)過程中為符合生產(chǎn)需求，采煤機的調(diào)動頻繁，空頂條件下的應(yīng)用效果相對理想，能保障生產(chǎn)作業(yè)的安全性。因此，工頻狀態(tài)下的非移動拖動系統(tǒng)存在諸多不足，而變頻系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上進行了結(jié)構(gòu)改造、功能調(diào)整，在實際的工作中不僅能自動調(diào)整速度，還能調(diào)節(jié)牽引功率的大小，操作簡單且系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性較高。

采煤機行走變頻系統(tǒng)內(nèi)的元件種類繁多、數(shù)量龐大，每一元件都有其特定的安裝位置與要求，在整個系統(tǒng)工作期間也承擔(dān)不同的作用，典型元件為逆變器、電抗器，在這些不同元件的相互配合下，能自動檢測母線電壓力輸出電流值，并實時通信[7]。電氣控制箱并非單獨存在的部分，通過與裝運、截割等設(shè)備的關(guān)聯(lián)，再將變頻器與行走電機可靠連接，能促進采煤機克服現(xiàn)場環(huán)境的不利限制，高效完成采煤任務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。

變頻器箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含諸多部分，主要為檢測機構(gòu)、整流電容、電抗器，這些分別分散在電控箱的指定位置。IGBT功率部件的熱量較大，其處于電控箱后板上部，變頻器箱內(nèi)，檢測機構(gòu)、整流電容、電抗器都為不可或缺的部分，任何一個部分發(fā)生些微故障，都會給變頻器箱的運行帶來風(fēng)險，不利于采煤機工作。IGBT功率部件在運行過程中伴隨著較大的熱量，在電控箱后板上部有循環(huán)水，可促進功率部件的散熱與冷卻。整流電容、電抗器等各個部件處于變頻器箱的底板，通過這一設(shè)置方式，不同部件之間的布設(shè)相對簡單，能為后續(xù)的維護與調(diào)試工作提供便捷。但此方式也存在一定的不足，不同電氣元件之間由走線實現(xiàn)連接，控制箱內(nèi)的功率元件數(shù)量龐大，排列與接線相對困難，工作量大，后續(xù)變頻系統(tǒng)安裝、調(diào)試與維護都十分不便。

針對上述問題，在采煤機內(nèi)部行走系統(tǒng)的優(yōu)化中應(yīng)開展集中化處理，綜合分析變頻系統(tǒng)的構(gòu)成及運行特點，大部分電子元件與工頻系統(tǒng)內(nèi)的電子元件安裝位置各有不同，在整個采煤機運行期間的作用也存在顯著差異。變頻器控制與檢測系統(tǒng)、工頻供電系統(tǒng)之間雖存在一定的連接關(guān)系，但決定多數(shù)情況下各自的工作具有獨立性，在集中化設(shè)計思路下，通過促進不同模塊之間的可靠連接，再利用功率母排集中連接整流與逆變單元。

優(yōu)化結(jié)束后，變頻器能實現(xiàn)封裝，其封裝對象為驅(qū)動電路、整流部分和逆變部分，將這些封裝在不銹鋼機殼中，能提高系統(tǒng)工作性能，減小外部因素對設(shè)備運行的干擾。

在原有基礎(chǔ)上改造變頻器后，變頻器性能大大提高，改造后供電電源AC1140V經(jīng)過三相電抗器后接入變頻器，行走機構(gòu)向電控系統(tǒng)PLC發(fā)送控制指令，PLC執(zhí)行指令和動作。

3.應(yīng)用情況

經(jīng)上述一系列改造與升級，改造后的行走箱裝備在山西忻州神達晉保煤業(yè)有限公司完成了試驗，發(fā)現(xiàn)改造后的設(shè)備可靠性大大增強，工作人員的操作、維修等都相對便捷和高效，更有利于煤礦企業(yè)的開采作業(yè)。

4.總結(jié)

綜上，采煤機行走箱經(jīng)常因設(shè)計缺陷而出現(xiàn)各類故障，給煤礦企業(yè)帶來的損失較大。面對采煤機行走箱方面存在的問題，未來需繼續(xù)從潤滑滴油、支撐套、耐磨套、電氣與變頻系統(tǒng)等方面展開設(shè)計優(yōu)化與調(diào)整，以提高采煤機行走箱的整體可靠性。未來針對采煤機行走箱設(shè)計改造，必須堅持理論性與實踐性的統(tǒng)一，以增強研究可靠性。