中厚煤層大功率采煤機搖臂設計與研究

張 鵬

（霍州煤電龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

0 引言

近幾年，我國經濟的快速發展帶動著能源消費結構發生了變化，煤炭作為主要的能源資源，在社會的發展過程中有著至關重要的作用。中厚煤層是大部分煤炭儲量的主要形式，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的配套設備的可靠性和穩定性決定的，采煤機作為煤炭開采的主力設備，其工作的效率和穩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，對采煤機的結構和性能方面提出了更高的要求。搖臂是采煤機眾多部件中的一項比較重要的結構，通過殼體、內部傳動機構、電氣控制系統、以及冷卻潤滑系統共同組成[1-2]。在采煤機運行的過程中，搖臂為采煤機的滾筒提供動力，承載滾筒在截割的過程中受到的各種沖擊載荷、拉壓應力等。在復雜的工況環境下對搖臂的性能和結構有著非常高的要求，因此，對中厚煤層大功率采煤機挖臂展開設計研究。

1 中厚煤層大功率采煤機總體設計

采煤機是煤炭開采的關鍵裝備，提高其效率對中厚煤層開采實現千萬噸級有著重要的促進作用。由于我國目前使用的采煤機未有達到相關要求的，因此本節在傳統采煤機的結構基礎上對其進行大功率采煤機的設計。

1.1 中厚煤層大功率采煤機總體設計目標

目前，大多數煤礦為全自動化開采，在實際的應用過程中主要表現為：采煤量大、綜采工作面布置的設備配套性能比較高以及綜采設備的開采技術比較先進。雖然較之前的傳統開采方式已經有了很大的提升，但是與現階段的要求仍有著一定的差距。因此，迫切的需要設計和研發能夠適用于中厚煤層高產高效的采煤機。本文研制的采煤機的總體設計目標如下：

1）采煤機通過利用變頻技術實時調整采煤機的運行速度和截割速度。由于大功率一般都比較大，因此要提升采煤機的牽引力以及各個連接部件之間的連接件必須使用高強度螺栓等。大功率采煤機的驅動方式分為兩種，一種是電機驅動，另一種是整體裝置液壓驅動，這兩種方式對大功率采煤機都有著嚴格的要求，不僅要保證其結構緊湊，而且對電控系統的要求更高，控制部分增加數字信號處理模塊以及數據傳輸模塊，利用總線的形式進行傳輸數據信息[3]。

2）大功率采煤機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。大功率采煤機的減速搖臂箱由于其運行速度比較大，因此需要考慮到降溫散熱措施，設置水冷裝置對其進行降溫散熱。

1.2 大功率采煤機的設計參數

為了保證大功率采煤機能夠適應中厚煤層的開采，在參數設計方面，要求采煤機的裝機功率要大約等于2 200 kW、兩個截割部分的功率要達到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、刮板輸送機的后機高度要小于1 850 mm，以保證能夠對中厚煤層進行開采。本文所設計的采煤機要保證采煤機的截割功率、牽引速度以及設備開機率都明顯高于現階段傳統使用的采煤機。按照設計目標以及相應的設計標準，采煤機的搖臂的性能參數如表1 所示。

表1 采煤機搖臂性能參數

2 中厚煤層大功率采煤機搖臂傳動系統設計

中厚煤層大功率采煤機搖臂的傳動機構是將電機的動力傳遞到截割部分的作用，根據不同形式的機械傳動裝置采煤機的結構不同，而且不同井下環境對應著不同的采煤機傳動結構。為了保證采煤機截割部分的傳動能夠滿足大功率、高采高以及大承載的作用，本文設計的中厚煤層大功率采煤機搖臂的傳動裝置全部設計到搖臂內部，截割電機呈垂直方式布置在搖臂的尾部，通過搖臂內部的傳動系統實現對動力的傳遞，實現了結構簡單，傳遞環節少的優點。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定的工況，因此搖臂的傳動系統采用二級直齒傳動以及二級行星傳動鏈的結構形式，為了保證搖臂能夠在傳動過程中穩定可靠的應用，設置有齒式離合器以及扭矩軸機械保護裝置，實現了離合保護以及過載保護的功能。傳動系統的電機選擇考慮到煤礦井下特殊的工作環境以及相關安全規程要求，選擇具有隔爆型的全封閉水冷式的YBC-900G2 型號的電機。

在傳動的過程中第一齒輪軸由于其連接的是電機軸因此設計為齒輪軸，兩端利用軸承座進行固定，如圖1-1 所示。第二根傳動軸設計為齒輪和軸分離的形式采用平鍵進行周向固定，這種形式比較適合煤礦井下比較復雜的工作環境。第三根傳動軸設計為軸齒輪，外側加工有外花鍵，利用兩個圓柱滾子軸承支撐。第四、五、六傳動軸設計為惰輪傳動軸形式，實現對搖臂的跨度的加長，以達到預期設計的長度，如圖1-2所示。

圖1 部分傳動軸

3 中厚煤層大功率采煤機殼體材料設計及有限元分析

3.1 中厚煤層大功率采煤機殼體材料設計

根據不同材料的性能比較，中厚煤層大功率采煤機課題材料選為CrNiMo 系鑄鋼。通過對其進行熱處理再增加其性能。熱處理工藝為首先是進行空淬，鑄件在加工前要正火再加兩次高溫回火。完成粗加工后在進行正火和回火，在精加工前要進行焊接水套，敢接完成后要對其進行消除內應力回火處理。最后通過對合金元素的微調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殼體材料有限元分析

為了保證中厚煤層大功率采煤機殼體能夠達到與其承載和負荷的目的，通過對其進行有限元分析的方式進行研究。本節采用的有限元分析的方式首先需要對其進行三維建模，建立大功率采煤機各個零部件的三維模型，并通過虛擬裝配的形式保證各個部分之間能夠正確裝備。三維模型裝配的過程中也能夠驗證采煤機搖臂各個零部件尺寸、結構設計是否合理[5]。在對其進行靜力學分析前，對搖臂的三維模型進行優化：假設搖臂的各個部分均勻鏈接，忽視裝置上設置的倒角、圓角等，搖臂各個部分為剛性連接。在材料設置時，選擇抗拉強度為700 MPa，彈性模量為2.11 GPa、密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。最后有限元分析結果中厚煤層大功率采煤機殼體應力分布云圖如圖2所示。

圖2 中厚煤層大功率采煤機殼體應力（Pa）分布云圖

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

4 結語

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。通過對傳統采煤機的深入了解，結合煤礦井下的安全規程要求，對中厚煤層大功率采煤機進行總體設計。提出了其設計目標，確定了大功率采煤機的性能參數。搖臂作為采煤機的重要部件，對搖臂的傳動系統的布置以及傳動軸進行設計，確定了搖臂的電機型號。最后根據搖臂的工作工況，確定搖臂殼體的材料，利用有限元的方法對其進行驗證，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量中的多數，對其進行開采時，必須利用大功率采煤機以提高開采的效率和開采的安全性，大功率采煤機的應用有助于煤礦進一步提升采煤效率，提高采煤機的開機率，保證煤炭資源的供給穩定。