張建權(quán)

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦，山西 呂梁 032300)

0 引 言

目前，采煤機(jī)已成為機(jī)械化礦井采煤不可或缺的重要設(shè)備，在所有機(jī)械化設(shè)備中使用率高達(dá)90%之上[1]，采煤機(jī)具有破煤能力強(qiáng)、截割效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還影響著煤炭截割效率和產(chǎn)能[2]。采煤機(jī)主要組成部件有牽引部、截割部及中間箱，其中，截割部消耗的功率約占采煤機(jī)整體功率的80%以上，是利用齒輪傳動(dòng)傳送給滾筒，通過(guò)截齒破煤，將螺旋葉片截割的落煤輸送給刮板輸送機(jī)上[3]；中間箱是采煤機(jī)的控制部分；牽引部不僅可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度的無(wú)極調(diào)速[4]。采煤機(jī)在復(fù)雜礦井工況作業(yè)時(shí)，會(huì)對(duì)牽引機(jī)構(gòu)的可靠性造成影響，使其部分關(guān)鍵部件損壞，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)向滑靴懸空等問(wèn)題[5]，為加強(qiáng)提升牽引機(jī)構(gòu)的可靠性，筆者提出采用一種液壓調(diào)姿牽引機(jī)構(gòu)，并對(duì)比分析傳統(tǒng)和優(yōu)化后牽引機(jī)構(gòu)行走輪與齒軌的嚙合特征，通過(guò)分析驗(yàn)證其剛度性，進(jìn)而大幅提升采煤機(jī)工作的可靠性。

1 采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采煤機(jī)的牽引部組件有牽引機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)裝置，其中，牽引機(jī)構(gòu)為協(xié)同采煤機(jī)行走的關(guān)鍵部件，也被叫作牽引行走機(jī)構(gòu)，不僅可以支撐采煤機(jī)的總重量，還可以和刮板輸送機(jī)中部槽上的齒軌嚙合作用驅(qū)使采煤機(jī)行走[6]；而傳動(dòng)裝置作為能量轉(zhuǎn)換裝置，主要是將電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械能[7]。

近些年來(lái)，采煤機(jī)主要是利用無(wú)鏈牽引機(jī)構(gòu)來(lái)完成牽引前進(jìn)，其原理是利用行走輪和刮板輸送機(jī)溜槽上的齒軌嚙合作用驅(qū)使采煤機(jī)行走，而位于齒軌上的滑靴又可保證齒軌和行走輪的正常嚙合作用[8]。因此，在采煤機(jī)行走輪和齒軌嚙合中，如果出現(xiàn)大的震動(dòng)和沖擊作用，會(huì)影響采煤機(jī)的正常工作，以及當(dāng)作業(yè)面底板不平整、負(fù)載條件變化或者嚙合中心距發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)對(duì)采煤機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響[9-10]。因此，基于上述原因，筆者對(duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出采用液壓調(diào)姿結(jié)構(gòu)。圖1為采煤機(jī)液壓調(diào)姿機(jī)構(gòu)的模型圖。

具體為在采煤機(jī)牽引傳動(dòng)箱殼體的兩側(cè)新增兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)S的液壓油缸，并通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整兩側(cè)液壓缸實(shí)現(xiàn)各行走輪負(fù)載均勻，改善支撐、導(dǎo)向化靴受力情況，減少過(guò)載現(xiàn)象，為多驅(qū)動(dòng)牽引提供便利。圖1中，O點(diǎn)為采煤機(jī)牽引傳動(dòng)箱殼體和采煤機(jī)機(jī)身的鉸接點(diǎn)；M、M′分別是采煤機(jī)機(jī)身和左右調(diào)姿液壓缸的鉸接點(diǎn)；N、N′分別是采煤機(jī)牽引傳動(dòng)箱殼體和左右調(diào)姿液壓缸的鉸接點(diǎn)。其中，調(diào)姿液壓油缸有兩個(gè)功能，第一個(gè)是可承受來(lái)自采煤機(jī)整機(jī)、牽引機(jī)構(gòu)的外部載重；第二個(gè)是利用液壓缸的伸縮動(dòng)作轉(zhuǎn)為該支撐點(diǎn)的上下浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向滑靴最大程度與齒軌的接觸，進(jìn)而保證采煤機(jī)在任何復(fù)雜工況下都能平順地通過(guò)作業(yè)面。

2 調(diào)姿和常規(guī)牽引機(jī)構(gòu)嚙合特征對(duì)比分析

為確定新增液壓調(diào)姿機(jī)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)整體牽引系統(tǒng)的作用效果，研究負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采用ADAMS軟件分析采煤機(jī)加速度、行走速度以及嚙合力的變化情況，從而得到兩種不同形式的牽引結(jié)構(gòu)嚙合過(guò)程的仿真結(jié)果。

對(duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)嚙合行走速度和加速度的變化情況進(jìn)行分析，得到圖2所示的曲線。圖2(a)中，在剛開(kāi)始工作時(shí)，傳統(tǒng)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的速度連續(xù)增加，當(dāng)時(shí)間是0.069 s時(shí)，速度增大到1.104 m/s，而此時(shí)加速度達(dá)到最大值。隨后，速度又急降，加速度也快速降至負(fù)值，主要原因是在行走輪、銷(xiāo)齒齒廓裝配時(shí)留有間隙，在接觸的瞬間發(fā)生突變。采煤機(jī)行走速度受行走輪和銷(xiāo)齒接觸的碰撞力影響，增加了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和牽引阻力，使行走輪和銷(xiāo)齒嚙合碰撞的速度與加速度波動(dòng)一段區(qū)間后又逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。此外，在整個(gè)嚙合中，速度的最大值和最小值的差值一直在0.2 m/s的范圍內(nèi)上下波動(dòng)，呈現(xiàn)周期性規(guī)律變化，且在穩(wěn)定嚙合時(shí)，最小值是0.179 5 m/s，最大值是0.226 1 m/s。

圖2(b)中，在行走輪和銷(xiāo)齒嚙合平穩(wěn)區(qū)段，速度與加速度的變化情況基本同于傳統(tǒng)牽引機(jī)構(gòu)，但在與齒面接觸碰撞時(shí)，速度、加速度的突變幅值明顯削弱，其中加速度提前達(dá)到穩(wěn)態(tài)。與常規(guī)牽引機(jī)構(gòu)相比，在啟動(dòng)時(shí)段，液壓缸動(dòng)作的不穩(wěn)定性對(duì)行走速度產(chǎn)生影響，即在啟動(dòng)0.5 s內(nèi)波動(dòng)大，主要是因?yàn)橐簤焊醉憫?yīng)的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。穩(wěn)定嚙合時(shí)段，速度與加速度的幅值、波動(dòng)頻率都顯著降低，表明左右液壓缸的彈簧阻尼發(fā)揮作用，對(duì)運(yùn)動(dòng)有一定的緩沖作用，此時(shí)，速度最小值是0.177 9 m/s，最大值是0.222 1 m/s。

圖2 采煤機(jī)行走輪速度和加速度的變化規(guī)律曲線

對(duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)嚙合力的變化情況進(jìn)行分析，得到圖3所示曲線。圖3(a)中，對(duì)于啟動(dòng)時(shí)段，嚙合力是0，到0.069 s時(shí)增為234.1 kN，主要是因?yàn)樵谛凶咻喓弯N(xiāo)齒齒廓裝配時(shí)留有間隙；而在0.069 s時(shí)行走輪接觸碰撞銷(xiāo)齒，使嚙合力大小發(fā)生突變，此外，此階段嚙合力大小變化不穩(wěn)定但還是比較平緩。對(duì)于穩(wěn)定嚙合時(shí)段，變化情況基本同于速度和加速度的變化情況，因施加的牽引阻力是梯形波信號(hào)，所以嚙合力的變化情況與梯形波信號(hào)相接近，并且在單雙齒嚙合交替變化時(shí)間點(diǎn)波動(dòng)比較大，后又平緩下降，此時(shí)段的嚙合力最小值是353.49 kN，最大值是847.41 kN。

圖3 采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)嚙合力變化規(guī)律曲線

圖3(b)中，整體嚙合力變化曲線沒(méi)有大的改動(dòng)，僅在起步時(shí)段，嚙合力的突變減小，這是因?yàn)樽笥乙簤河透装l(fā)揮了彈簧阻尼器作用，大幅降低了嚙合力幅值的突變情形，但是又因左右液壓油缸的阻尼作用，使其響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，所以嚙合力大小幅值波動(dòng)比較大，且在穩(wěn)定嚙合時(shí)段，嚙合力最小值是327.66 kN，最大值是837.91 kN。

采煤機(jī)的調(diào)姿是通過(guò)液壓缸的動(dòng)作帶動(dòng)牽引傳動(dòng)箱殼體擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支撐點(diǎn)的上升或者下降，因此，為驗(yàn)證采煤機(jī)正常工作時(shí)，采煤機(jī)調(diào)姿牽引的剛性能否滿足要求，對(duì)采煤機(jī)調(diào)姿牽引傳動(dòng)箱殼體的擺角變化進(jìn)行分析，得到圖4所示的波動(dòng)曲線。從圖4中可看出，調(diào)姿牽引傳動(dòng)箱殼體擺動(dòng)角度很小，受施加的牽引阻力影響整體向右側(cè)微擺，最大擺角僅為0.399 6°，不會(huì)影響牽引系統(tǒng)的正常工作，這表明左右液壓缸具有很好的剛度性，可滿足實(shí)際工作要求。

圖4 調(diào)姿牽引機(jī)構(gòu)傳動(dòng)箱殼體擺角變化曲線

3 結(jié) 論

采煤機(jī)運(yùn)行中牽引機(jī)構(gòu)的可靠性起著關(guān)鍵作用，基于分析牽引機(jī)構(gòu)可靠性的影響因素。對(duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出采用一種液壓調(diào)姿機(jī)構(gòu)，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)傳統(tǒng)和優(yōu)化后牽引機(jī)構(gòu)行走輪與齒軌的嚙合特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)應(yīng)用調(diào)姿牽引結(jié)構(gòu)，可通過(guò)對(duì)液壓缸伸縮調(diào)整實(shí)現(xiàn)支撐點(diǎn)的浮動(dòng)，達(dá)到適應(yīng)均衡載荷、底板凹凸不平的效果。

(2)應(yīng)用調(diào)姿牽引機(jī)構(gòu)，可有效削減牽引機(jī)構(gòu)的速度、加速度以及嚙合力的波動(dòng)程度，改善采煤機(jī)的整體工作狀態(tài)。