王俊鑫

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

采煤機(jī)是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中最常用的采煤設(shè)備，截割部作為與煤壁直接接觸的部位，其工作中遇到的切割對(duì)象隨地質(zhì)變化而變化。切割時(shí)若遇到巖石或者矸石含量不同，采煤機(jī)截割部就會(huì)發(fā)生故障，采煤機(jī)的截齒可能斷裂，截割電機(jī)也可能燒毀。為了應(yīng)對(duì)各種各樣的截割部過(guò)載，采煤機(jī)的截割電機(jī)和傳動(dòng)裝置中設(shè)置了多道保護(hù)元件，防止造成采煤機(jī)故障，影響煤炭生產(chǎn)，甚至可以避免人員傷亡事故[1]。采煤機(jī)截割部的過(guò)載保護(hù)分為電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，以電機(jī)過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)、限矩器保護(hù)和扭矩軸保護(hù)為研究對(duì)象，研究了采煤機(jī)截割部過(guò)載保護(hù)原理，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行和維護(hù)具有一定意義。

1 過(guò)熱保護(hù)

過(guò)熱保護(hù)又稱(chēng)為溫度保護(hù)，是一種針對(duì)截割電機(jī)溫度的保護(hù)機(jī)制。一般截割電機(jī)本身就自帶過(guò)熱保護(hù)，在電機(jī)繞組內(nèi)部串聯(lián)了熱敏元件，這些熱敏元件在正常情況下阻值很低，相當(dāng)于通路，當(dāng)截割電機(jī)長(zhǎng)期工作在額定功率以上時(shí)，電機(jī)腔體的溫度升高，熱敏元件的阻值迅速上升，最終呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，這時(shí)斷開(kāi)電機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)過(guò)熱保護(hù)。根據(jù)熱敏元件的種類(lèi)不同，過(guò)熱保護(hù)可分為PTC 熱敏電阻、PT100溫度傳感器和雙金屬片溫度繼電器。這些元件被裝設(shè)在截割電機(jī)的繞組或軸承蓋上，當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)電流或電壓和過(guò)載等情況時(shí)，電機(jī)的繞組和軸承會(huì)發(fā)熱，此類(lèi)信號(hào)傳遞到控制截割電機(jī)的PLC 上，PLC 就會(huì)發(fā)出切斷電機(jī)電源的動(dòng)作指令，動(dòng)作指令通過(guò)斷路器控制回路控制，斷路器斷開(kāi)電機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)[2]。

截割電機(jī)過(guò)熱保護(hù)工作原理：以雙金屬片溫度繼電器為例，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載電流時(shí)，熱保護(hù)里的雙金屬片會(huì)發(fā)生彎曲，因?yàn)? 個(gè)金屬片通過(guò)電流超過(guò)設(shè)定電流后，發(fā)熱系數(shù)就會(huì)不一樣，在雙金屬片上機(jī)械連接一個(gè)常閉觸點(diǎn)，因?yàn)閺澢鴦?dòng)作，常閉點(diǎn)是串聯(lián)在動(dòng)力電路的交流接觸器中，所以熱保護(hù)常閉點(diǎn)動(dòng)作，交流接觸器線圈斷電，主回路同時(shí)沒(méi)電，電機(jī)得到保護(hù)。

2 過(guò)流保護(hù)

截割電機(jī)過(guò)流保護(hù)工作原理：過(guò)流保護(hù)指的是當(dāng)電機(jī)的電樞電流超過(guò)額定電流一定范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，通過(guò)保護(hù)電路將電機(jī)電源斷開(kāi)的保護(hù)的措施。采煤機(jī)正常切割煤炭時(shí)，截割電機(jī)定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也在定子繞組感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，這是消耗電壓的主要部分。當(dāng)采煤機(jī)遇到堅(jiān)硬的巖石，截割頭堵轉(zhuǎn)，反電勢(shì)為0，電機(jī)只有其自身的電阻和電感，所有電壓都加載在繞組上，電樞電流會(huì)急劇增加[3]。

過(guò)流保護(hù)的整定：根據(jù)截割電機(jī)容量的大小和加工工藝不同，堵轉(zhuǎn)電流一般為電機(jī)額定電流的4 倍以上。截割電機(jī)的電流保護(hù)安全系數(shù)一般設(shè)置為2.5，電機(jī)的電樞電流在超過(guò)電機(jī)額定電流2.5 倍時(shí)電機(jī)電源跳閘。

3 限矩器保護(hù)

限矩器的工作原理：限矩器又稱(chēng)為摩擦式離合器，是一種限制最大輸出力矩的機(jī)械裝置。如下頁(yè)圖1 所示，限矩器的動(dòng)力輸入軸通過(guò)花鍵與電動(dòng)機(jī)軸連接，動(dòng)力輸出軸通過(guò)花鍵與扭矩軸連接，向截割滾筒傳遞動(dòng)力。輸入軸和輸出軸中間的法蘭端面內(nèi)裝有調(diào)整螺母，在法蘭盤(pán)靠近輸出軸的一端有彈簧裝置和摩擦片。通過(guò)調(diào)整螺母的松緊程度可以改變摩擦片可承受的最大力矩，當(dāng)輸出軸輸入的力矩小于最大力矩時(shí)，摩擦片不產(chǎn)生滑動(dòng)，輸出力矩被傳遞到輸入軸上；當(dāng)輸出軸輸出的力矩大于最大力矩時(shí)，摩擦片產(chǎn)生滑動(dòng)，輸出力矩被限制在摩擦片上，保護(hù)截割電機(jī)不因?yàn)橥蛔兊牧囟a(chǎn)生過(guò)電流。

圖1 摩擦式離合器的裝配圖

限矩器的安裝位置：限矩器的安裝位置比較靈活，一般有三種安裝方法。一是安裝在截割電機(jī)和減速器之間，這樣安裝的好處是動(dòng)力和扭矩的傳遞比較合理，同時(shí)還能為連軸裝置提供安裝空間，增加傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；二是安裝在截割電機(jī)尾部，這樣做的好處是減少傳遞能量的消耗；三是安裝在一級(jí)齒輪的外側(cè)，這樣做可以提高能量傳遞的效率，但是連接的部分略顯復(fù)雜。實(shí)際采煤機(jī)的限矩器安裝可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)。

限矩器保護(hù)的整定：每個(gè)調(diào)整螺母可以在摩擦片上施加的額定力矩為150 N·m，16 個(gè)調(diào)整螺母的額定力矩為2 400 N·m。在設(shè)定保護(hù)力矩時(shí)，要同時(shí)考慮限矩器保護(hù)的敏感性和安全性，將調(diào)整螺母的保護(hù)力矩設(shè)定在適當(dāng)范圍，并且要均勻分布在摩擦片四周，防止局部應(yīng)力集中損壞摩擦片。限矩器保護(hù)的安全系數(shù)一般設(shè)置為3.75，摩擦片在承受力矩大于限矩器的額定扭矩3.75 倍時(shí)發(fā)生滑動(dòng)。

4 扭矩軸保護(hù)

電機(jī)的溫度保護(hù)和電流保護(hù)只能反映電機(jī)的工作狀態(tài)，并不能直接反映傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)。限矩器能夠隔離較大力矩，起到機(jī)械保護(hù)的作用，但是由于限矩器適用于沖擊大、間歇性發(fā)生的過(guò)載情況，并且在摩擦片打滑時(shí)仍然存在一部分扭矩可以傳動(dòng)到下一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)，所以限矩器保護(hù)也不能完全實(shí)現(xiàn)扭矩保護(hù)。扭矩軸是一種常用的過(guò)載保護(hù)和彈性緩沖的保護(hù)機(jī)構(gòu)。

扭矩軸的工作原理：扭矩軸是位于減速器和摩擦式離合器之間的動(dòng)力傳動(dòng)軸，其主要作用有傳遞扭矩、吸收沖擊負(fù)載、過(guò)載保護(hù)等。如圖2 所示，扭矩軸兩端的外花鍵分別與摩擦式離合器和減速器連接，扭矩軸左邊通過(guò)軸承和螺母與摩擦式離合器的輸出軸推桿連接，右邊與減速器齒輪連接，扭矩軸中間的最細(xì)點(diǎn)凹槽為卸荷槽，當(dāng)采煤機(jī)切割到巖石等硬物時(shí)，扭矩軸瞬間承擔(dān)突變力矩，從而在卸荷槽處斷裂。離合器左側(cè)手柄的作用是使扭矩軸與減速器齒輪斷開(kāi)連接，防止檢修人員在檢修采煤機(jī)動(dòng)力裝置時(shí)電機(jī)突然來(lái)電，造成人員傷害[4]。

圖2 摩擦式離合器與扭矩軸的裝配圖

扭矩軸保護(hù)的整定：扭矩軸保護(hù)的安全系數(shù)一般設(shè)置為2，卸荷槽處的斷裂扭矩為扭矩軸額定扭矩的2 倍。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于地質(zhì)狀況復(fù)雜的薄煤層煤礦來(lái)說(shuō)，采煤機(jī)截割部切割巖石的情況越來(lái)越普遍，各種由于過(guò)載而發(fā)生的設(shè)備或人員事故也越來(lái)越多。結(jié)合礦場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和采煤機(jī)設(shè)備的機(jī)械性能，合理地設(shè)置截割部保護(hù)顯得尤其重要。截割部過(guò)載保護(hù)分為電氣保護(hù)和機(jī)械保護(hù)兩種，電氣保護(hù)包括過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，機(jī)械保護(hù)包括限矩器保護(hù)和扭矩軸保護(hù)。所有的保護(hù)起到的保護(hù)作用不同，保護(hù)范圍也不同，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)詳細(xì)計(jì)算、綜合考慮，使采煤機(jī)過(guò)載發(fā)生頻率降到最低。