安 琦

（霍州煤電集團霍源通新產(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以及拖拽均是采用拖纜裝置來進行。為了避免電纜在使用過程造成故障，確保電纜的安全性，用拖纜裝置中的電纜夾板將采煤機電纜保護起來，再進行拖拽。但是，根據(jù)礦井現(xiàn)場使用反饋，目前使用的拖纜裝置對電纜的保護效果不是很理想，常常出現(xiàn)電纜夾板偏移，對于不同種類的電纜夾板相互轉(zhuǎn)接困難。電纜拖纜裝置的電纜夾板在使用時，因頻繁拖動與電纜槽發(fā)生滑動、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強度高、勞動量增加，大大增加了礦井生產(chǎn)成本。為了保護采煤工作面人員安全，減輕工人勞動強度，提高煤礦經(jīng)濟效益，本文對采煤機中的拖纜裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析、優(yōu)化。

2 拖纜裝置中伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂優(yōu)化改進

2.1 伸縮臂優(yōu)化

MG250/600-QWD型采煤機拖纜裝置系統(tǒng)伸縮臂是調(diào)節(jié)拖纜裝置移動的重要構(gòu)成部分，在使用過程中必須要滿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)化改進后拖纜裝置的伸縮臂簡圖。伸縮臂是由起支撐作用的拖纜架、類似軌道的導(dǎo)軌和提供動力的伸縮液壓缸等結(jié)構(gòu)組成。礦井使用的伸縮臂導(dǎo)軌材料強度不夠，伸縮臂經(jīng)常發(fā)生故障，本次決定對伸縮臂的導(dǎo)軌材料進行優(yōu)化改進。導(dǎo)軌材料設(shè)計為在基礎(chǔ)材料之上增加厚T型鋼，設(shè)計出來的伸縮臂具有加工方便、成本低的優(yōu)點；礦井伸縮臂的拖纜架和導(dǎo)軌時有發(fā)生脫落現(xiàn)象，為了改善這個問題，拖纜架和導(dǎo)軌連接方式改進為焊接，并輔以可伸長四十多毫米的增強筋進行加強固接；把MG250/600-QWD型采煤機牽引部與軌道改進為合并連接；監(jiān)測提供動力伸縮液壓油缸油液變化的傳感器，經(jīng)常受到污染，監(jiān)測精度不夠，無法保障動力，本次把傳感器改為磁質(zhì)材料，優(yōu)點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，布置在采煤機牽引部的上部，其中，活塞與導(dǎo)軌是活動式的鉸接。

圖1 優(yōu)化改進后拖纜裝置的伸縮臂簡圖

2.2 轉(zhuǎn)動臂優(yōu)化

轉(zhuǎn)動臂調(diào)整拖纜裝置的拖纜高度。為了改進使用的雙蝸桿液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難、檢修不便等缺點，轉(zhuǎn)動臂采用SE系列單蝸桿液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動器。原連接方式常常引起轉(zhuǎn)動臂出現(xiàn)故障，本次搖臂與拖纜架的連接改進為鉸接方式，拖纜輪與搖臂的連接改進為轉(zhuǎn)軸連接。轉(zhuǎn)動臂在運行過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)動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進簡圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化改進后拖纜裝置的轉(zhuǎn)動臂簡圖

3 拖纜裝置中過載保護及安全銷

3.1 增加過載保護

拖纜裝置實際工作中經(jīng)常會遇見采煤機斷電，在采煤機工作過程中出現(xiàn)電纜夾板被卡住等問題，出現(xiàn)故障容易造成電纜夾板局部應(yīng)力突然增大，一旦超過應(yīng)力屈服，電纜夾板就被折斷，進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)重時會發(fā)生安全傷亡事故。拖纜裝置中的過載保護就是為防止或減小此情況而設(shè)計。

圖3為拖纜裝置中優(yōu)化改進后的過載保護結(jié)構(gòu)。過載保護結(jié)構(gòu)主要由拖纜架、安全銷、滑板、行程開關(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，擋板設(shè)置在兩側(cè)阻擋，用于防止跑偏。觸頭通過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整體。在拖纜架下方設(shè)置行程開關(guān)，目的是行程開關(guān)和PLC控制器間實現(xiàn)互聯(lián)互通，PLC發(fā)出停機信號，閉合行程開關(guān)，MG250/600-QWD型采煤機停止割煤，行程開關(guān)接到開機信號后立即執(zhí)行斷開命令，采煤機正常割煤。

圖3 優(yōu)化改進后拖纜裝置的過載保護結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 安全銷選擇及強度校核

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，但此時采煤機還在繼續(xù)工作，電纜夾就會受到過大拉力作用，造成拖纜鏈帶動滑板與拖纜架產(chǎn)生滑動卡死，連接滑板與電纜架的安全銷受到剪切作用發(fā)生斷裂，此時，滑板就完全失去了約束作用。因此，本次改進設(shè)計了過載保護。觸頭松動滑行，一旦觸碰到行程開關(guān)，行程開關(guān)受到觸碰作用后自動閉合，反饋給PLC控制器，控制器接收到信號后作出停機命令，既保護了電纜、水管、電纜夾，還避免了安全事故。當(dāng)故障修復(fù)后，行程開關(guān)恢復(fù)原位，MG250/600-QWD型采煤機繼續(xù)執(zhí)行割煤工作。

根據(jù)上面分析，說明安全銷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載情況下，能夠起到輔助保護整個裝置的作用。

為了選擇性能更加優(yōu)良的安全銷，首先對其進行強度校核計算。為了計算方便，把拖纜架、滑板和安全銷看作為一個整體，對其進行簡要分析計算。

假定安全銷最大拉力為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)，查手冊可取K=1.2。

當(dāng)安全銷被拉斷時，安全銷的強度計算公式：

式中：

[τ]- 許用剪應(yīng)力，MPa；

Fjmax-最大剪切力，kN；

d-安全銷直徑，mm。

安全銷材料選擇45#鋼，工藝處理為淬火加工，根據(jù)機械設(shè)計手冊查詢可得其許用剪應(yīng)力為420MPa，按最危險的情況考慮和煤礦電纜夾板標(biāo)準(zhǔn)要求，安全銷最大拉斷力選擇40kN。代入上述安全銷強度計算公式得d≤11.55mm，本次改進的實際運用過程中選擇直徑為10mm的安全銷。

4 優(yōu)化改進后的性能

為了驗證MG250/600-QWD型采煤機拖纜裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進的效果，進行了現(xiàn)場試驗。在霍州煤電辛置礦工作面采煤機工作過程中，拖纜裝置相對于自身坐標(biāo)系位置的不同，通過伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂進行不斷調(diào)整，直到達到要求為準(zhǔn)。在拖纜裝置中各個結(jié)構(gòu)上安裝傳感器收集數(shù)據(jù)。采煤機在刮板輸送機上被牽引，相對于原始空間坐標(biāo)系在不斷的變化，設(shè)置關(guān)節(jié)變量，以時間為橫軸、坐標(biāo)系中的關(guān)節(jié)變量為縱軸采集采煤機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，整理得到了關(guān)節(jié)變量與采煤機拖纜裝置運行時間的關(guān)系。其中關(guān)節(jié)起始值對應(yīng)拖纜裝置起始工作時間，在試驗過程中整理了四個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)化改進后的新型拖纜裝置的結(jié)構(gòu)能夠滿足煤礦井下惡劣環(huán)境的要求，表明具有可行性。

對各個結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測顯示，拖纜架和導(dǎo)軌能夠承受的最大應(yīng)力可達81.273MPa，采煤機牽引部與導(dǎo)軌的接觸處為最大應(yīng)力所在位置，最大應(yīng)力值遠遠小于改進優(yōu)化后的設(shè)計的材料許用強度值，滿足生產(chǎn)需要。在原導(dǎo)軌和拖纜架容易造成變形的地方監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，拖纜架在工作中的最大變形量未超過2.5mm，遠遠低于改進優(yōu)化前的變形量，在此處改進設(shè)計了增強筋，增強筋大大降低了局部應(yīng)力，滿足采煤機在工作中的使用要求。在搖臂回轉(zhuǎn)軸和搖桿連接處檢測到最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為45.105MPa，該值未超出使用材料的許用強度值，說明滿足性能使用要求。在搖臂銷軸孔位置，其最大的變形量為0.35mm，與改進前的搖臂變形量相比，變形量較小，表明能夠滿足MG250/600-QWD型采煤機的電纜拖拽使用要求。

圖4 采煤機工作中監(jiān)測拖纜裝置中各個結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)變量與時間關(guān)系

5 結(jié)論

（1）針對拖纜裝置中伸縮臂和搖動臂結(jié)構(gòu)缺點，從材料、加工工藝、連接方式等方面對伸縮臂和搖動臂重新進行了改進設(shè)計。

（2）在拖纜裝置系統(tǒng)中增加了過載保護結(jié)構(gòu)，重新對安全銷設(shè)計，并進行了強度校核。

（3）把改進優(yōu)化后的MG250/600-QWD型采煤機拖纜裝置進行了現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗表明改進優(yōu)化后的拖纜裝置能夠滿足使用要求。