喬鉆鉆

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 運(yùn)城 043300）

引言

目前，我國煤炭開采已經(jīng)逐步進(jìn)入綜采時代，各種綜采設(shè)備采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)等大型機(jī)電設(shè)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(shè)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(hù)措施是否到位決定電能的傳輸是否穩(wěn)定、安全。采煤機(jī)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(hù)，以確保電纜及水管在采煤機(jī)牽引時不會出現(xiàn)折彎、擠壓的問題[1]。就目前而言，采煤機(jī)的托纜裝置仍然存在保護(hù)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(jī)械化、自動化、高效率的生產(chǎn)，需對采煤機(jī)托纜裝置進(jìn)行改進(jìn)。

1 托纜裝置現(xiàn)狀的分析

實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)地質(zhì)、水文條件以及煤層特點(diǎn)選用最佳的采煤機(jī)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(jī)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(yīng)用于MG250/600-QWD采煤機(jī)，該采煤機(jī)可用于傾角0°～45°煤層的開采。該采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

1.1 采煤機(jī)電纜的類型

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

表1 MG250/600-QWD采煤機(jī)關(guān)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(jī)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(jìn)行保護(hù)。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(jī)的電纜槽中[3]。目前，托纜裝置主要與刮板輸送機(jī)配合使用，使得采煤機(jī)沿煤壁前進(jìn)時托纜裝置拉著電纜夾板前進(jìn)。托纜裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 托纜裝置結(jié)構(gòu)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(guān)鍵零件，其強(qiáng)度、抗折彎強(qiáng)度以及壽命直接決定著采煤機(jī)供電系統(tǒng)電纜的安全。托纜裝置安裝于采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的箱體上，導(dǎo)致其在實(shí)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(hù)采煤機(jī)電纜及高壓供水管方面起到較好的效果，但是其在實(shí)際應(yīng)用中常存在如下問題：

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

2）采煤機(jī)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(dǎo)致電纜及水管被擠壓出托纜裝置，導(dǎo)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(jī)的連接方式不同。導(dǎo)致更換、拆卸、裝零件時的效率較低[4]。

綜上所述，為了滿足當(dāng)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(jī)托纜裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，使其能夠更好地與刮板輸送機(jī)配合，提升其在惡劣、復(fù)雜工作面的適應(yīng)能力。

2 托纜裝置的改進(jìn)設(shè)計

經(jīng)分析可知，在大傾角采煤工作面，采煤機(jī)托纜裝置所承受的局部應(yīng)力較大，存在電纜夾板被夾斷的風(fēng)險，且電纜彎頭存在被折彎的風(fēng)險。本章節(jié)將針對上述問題對托纜裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

2.1 托纜裝置伸縮臂的改進(jìn)設(shè)計

伸縮臂作為采煤機(jī)托纜裝置的關(guān)鍵部件，其主要功能為控制托纜裝置沿著采煤機(jī)牽引方向的運(yùn)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(jìn)設(shè)計。

圖2 伸縮臂的改進(jìn)設(shè)計

如圖2所示，伸縮臂主要由拖纜架、導(dǎo)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(dǎo)軌改進(jìn)為T型鋼的結(jié)構(gòu)形式，在提升其抗拉強(qiáng)度的同時降低了托纜裝置的制造成本；將導(dǎo)軌與拖纜架采用焊接的方式固定，為進(jìn)一步提升其連接強(qiáng)度，在導(dǎo)軌與拖纜架之間增設(shè)加強(qiáng)筋；為液壓伸縮缸配置伸縮傳感器對液壓缸的實(shí)時工作狀態(tài)進(jìn)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(dǎo)軌采用鉸接方式連接。

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

總之，改進(jìn)后伸縮臂滿足極限工況下的生產(chǎn)要求，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

2.2 轉(zhuǎn)動臂的改進(jìn)設(shè)計

通過對轉(zhuǎn)動臂高度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)拖纜裝置的拖纜高度。轉(zhuǎn)動臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)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(jìn)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(yīng)力集中在回轉(zhuǎn)軸與搖桿相交接的位置，且最大應(yīng)力為42 MPa，小于所選材料的需用應(yīng)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(jìn)后轉(zhuǎn)動臂滿足極限工況下的生產(chǎn)要求，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面割煤設(shè)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(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)托纜裝置盡管能夠?qū)崿F(xiàn)對其電纜及高壓水管的保護(hù)，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(jī)拖纜裝置的關(guān)鍵部件伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，通過增強(qiáng)其關(guān)鍵部位強(qiáng)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(jìn)后的伸縮臂和轉(zhuǎn)動臂可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。