張 鵬

（霍州煤電龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

0 引言

近幾年，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)著能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，煤炭作為主要的能源資源，在社會(huì)的發(fā)展過程中有著至關(guān)重要的作用。中厚煤層是大部分煤炭儲(chǔ)量的主要形式，因此對中厚煤層的開采效率直接決定了煤炭的供給能力。中厚煤層的開采效率主要是由其相關(guān)的配套設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性決定的，采煤機(jī)作為煤炭開采的主力設(shè)備，其工作的效率和穩(wěn)定性直接影響著煤炭的開采速度。煤炭的需求量逐年上升，因此，對采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能方面提出了更高的要求。搖臂是采煤機(jī)眾多部件中的一項(xiàng)比較重要的結(jié)構(gòu)，通過殼體、內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、以及冷卻潤滑系統(tǒng)共同組成[1-2]。在采煤機(jī)運(yùn)行的過程中，搖臂為采煤機(jī)的滾筒提供動(dòng)力，承載滾筒在截割的過程中受到的各種沖擊載荷、拉壓應(yīng)力等。在復(fù)雜的工況環(huán)境下對搖臂的性能和結(jié)構(gòu)有著非常高的要求，因此，對中厚煤層大功率采煤機(jī)挖臂展開設(shè)計(jì)研究。

1 中厚煤層大功率采煤機(jī)總體設(shè)計(jì)

采煤機(jī)是煤炭開采的關(guān)鍵裝備，提高其效率對中厚煤層開采實(shí)現(xiàn)千萬噸級有著重要的促進(jìn)作用。由于我國目前使用的采煤機(jī)未有達(dá)到相關(guān)要求的，因此本節(jié)在傳統(tǒng)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行大功率采煤機(jī)的設(shè)計(jì)。

1.1 中厚煤層大功率采煤機(jī)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前，大多數(shù)煤礦為全自動(dòng)化開采，在實(shí)際的應(yīng)用過程中主要表現(xiàn)為：采煤量大、綜采工作面布置的設(shè)備配套性能比較高以及綜采設(shè)備的開采技術(shù)比較先進(jìn)。雖然較之前的傳統(tǒng)開采方式已經(jīng)有了很大的提升，但是與現(xiàn)階段的要求仍有著一定的差距。因此，迫切的需要設(shè)計(jì)和研發(fā)能夠適用于中厚煤層高產(chǎn)高效的采煤機(jī)。本文研制的采煤機(jī)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

1）采煤機(jī)通過利用變頻技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)的運(yùn)行速度和截割速度。由于大功率一般都比較大，因此要提升采煤機(jī)的牽引力以及各個(gè)連接部件之間的連接件必須使用高強(qiáng)度螺栓等。大功率采煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式分為兩種，一種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一種是整體裝置液壓驅(qū)動(dòng)，這兩種方式對大功率采煤機(jī)都有著嚴(yán)格的要求，不僅要保證其結(jié)構(gòu)緊湊，而且對電控系統(tǒng)的要求更高，控制部分增加數(shù)字信號處理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用總線的形式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)信息[3]。

2）大功率采煤機(jī)在截割的過程中存在著粉塵較大的情況，在截割部分要配備有噴霧降塵裝置。大功率采煤機(jī)的減速搖臂箱由于其運(yùn)行速度比較大，因此需要考慮到降溫散熱措施，設(shè)置水冷裝置對其進(jìn)行降溫散熱。

1.2 大功率采煤機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

為了保證大功率采煤機(jī)能夠適應(yīng)中厚煤層的開采，在參數(shù)設(shè)計(jì)方面，要求采煤機(jī)的裝機(jī)功率要大約等于2 200 kW、兩個(gè)截割部分的功率要達(dá)到900 kW以上、牽引部分的功率要大于200 kW、牽引速度要大于15 m/min、刮板輸送機(jī)的后機(jī)高度要小于1 850 mm，以保證能夠?qū)χ泻衩簩舆M(jìn)行開采。本文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)要保證采煤機(jī)的截割功率、牽引速度以及設(shè)備開機(jī)率都明顯高于現(xiàn)階段傳統(tǒng)使用的采煤機(jī)。按照設(shè)計(jì)目標(biāo)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采煤機(jī)的搖臂的性能參數(shù)如表1 所示。

表1 采煤機(jī)搖臂性能參數(shù)

2 中厚煤層大功率采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中厚煤層大功率采煤機(jī)搖臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將電機(jī)的動(dòng)力傳遞到截割部分的作用，根據(jù)不同形式的機(jī)械傳動(dòng)裝置采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，而且不同井下環(huán)境對應(yīng)著不同的采煤機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。為了保證采煤機(jī)截割部分的傳動(dòng)能夠滿足大功率、高采高以及大承載的作用，本文設(shè)計(jì)的中厚煤層大功率采煤機(jī)搖臂的傳動(dòng)裝置全部設(shè)計(jì)到搖臂內(nèi)部，截割電機(jī)呈垂直方式布置在搖臂的尾部，通過搖臂內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力的傳遞，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，傳遞環(huán)節(jié)少的優(yōu)點(diǎn)。充分考慮煤礦井下開采過程中存在著承受載荷不均勻以及沖擊不穩(wěn)定的工況，因此搖臂的傳動(dòng)系統(tǒng)采用二級直齒傳動(dòng)以及二級行星傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)形式，為了保證搖臂能夠在傳動(dòng)過程中穩(wěn)定可靠的應(yīng)用，設(shè)置有齒式離合器以及扭矩軸機(jī)械保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了離合保護(hù)以及過載保護(hù)的功能。傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)選擇考慮到煤礦井下特殊的工作環(huán)境以及相關(guān)安全規(guī)程要求，選擇具有隔爆型的全封閉水冷式的YBC-900G2 型號的電機(jī)。

在傳動(dòng)的過程中第一齒輪軸由于其連接的是電機(jī)軸因此設(shè)計(jì)為齒輪軸，兩端利用軸承座進(jìn)行固定，如圖1-1 所示。第二根傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為齒輪和軸分離的形式采用平鍵進(jìn)行周向固定，這種形式比較適合煤礦井下比較復(fù)雜的工作環(huán)境。第三根傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為軸齒輪，外側(cè)加工有外花鍵，利用兩個(gè)圓柱滾子軸承支撐。第四、五、六傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為惰輪傳動(dòng)軸形式，實(shí)現(xiàn)對搖臂的跨度的加長，以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的長度，如圖1-2所示。

圖1 部分傳動(dòng)軸

3 中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體材料設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體材料設(shè)計(jì)

根據(jù)不同材料的性能比較，中厚煤層大功率采煤機(jī)課題材料選為CrNiMo 系鑄鋼。通過對其進(jìn)行熱處理再增加其性能。熱處理工藝為首先是進(jìn)行空淬，鑄件在加工前要正火再加兩次高溫回火。完成粗加工后在進(jìn)行正火和回火，在精加工前要進(jìn)行焊接水套，敢接完成后要對其進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力回火處理。最后通過對合金元素的微調(diào)最終得出材料的成分如表2 所示，其材料成分為ZG30CrNiMo[4]。

表2 材料成分

3.2 中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體材料有限元分析

為了保證中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體能夠達(dá)到與其承載和負(fù)荷的目的，通過對其進(jìn)行有限元分析的方式進(jìn)行研究。本節(jié)采用的有限元分析的方式首先需要對其進(jìn)行三維建模，建立大功率采煤機(jī)各個(gè)零部件的三維模型，并通過虛擬裝配的形式保證各個(gè)部分之間能夠正確裝備。三維模型裝配的過程中也能夠驗(yàn)證采煤機(jī)搖臂各個(gè)零部件尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理[5]。在對其進(jìn)行靜力學(xué)分析前，對搖臂的三維模型進(jìn)行優(yōu)化：假設(shè)搖臂的各個(gè)部分均勻鏈接，忽視裝置上設(shè)置的倒角、圓角等，搖臂各個(gè)部分為剛性連接。在材料設(shè)置時(shí)，選擇抗拉強(qiáng)度為700 MPa，彈性模量為2.11 GPa、密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。最后有限元分析結(jié)果中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

圖2 中厚煤層大功率采煤機(jī)殼體應(yīng)力（Pa）分布云圖

根據(jù)圖1 能夠發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在鉸接孔位置，其他部分的應(yīng)力分布均比較均勻。按照殼體材料的屈服強(qiáng)度要大于等于600 MPa，因此殼體采用的材料完全符合相應(yīng)的要求，并且有著較大的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

隨著對煤炭需求的不斷增加，煤炭開采過程中需要更高效率、高可靠性的采煤機(jī)。通過對傳統(tǒng)采煤機(jī)的深入了解，結(jié)合煤礦井下的安全規(guī)程要求，對中厚煤層大功率采煤機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。提出了其設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定了大功率采煤機(jī)的性能參數(shù)。搖臂作為采煤機(jī)的重要部件，對搖臂的傳動(dòng)系統(tǒng)的布置以及傳動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了搖臂的電機(jī)型號。最后根據(jù)搖臂的工作工況，確定搖臂殼體的材料，利用有限元的方法對其進(jìn)行驗(yàn)證，證明ZG30CrNiMo 材料能夠滿足井下開采的需求。中厚煤層作為煤炭儲(chǔ)量中的多數(shù)，對其進(jìn)行開采時(shí)，必須利用大功率采煤機(jī)以提高開采的效率和開采的安全性，大功率采煤機(jī)的應(yīng)用有助于煤礦進(jìn)一步提升采煤效率，提高采煤機(jī)的開機(jī)率，保證煤炭資源的供給穩(wěn)定。