采煤机截割部过载保护方式研究

2018-03-05李子彦

机电工程技术 2018年9期

李子彦

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿，山西大同 037000）

1 电牵引采煤机的结构和过载保护

1.1 结构组成

电牵引式采煤机主要由行走部、摇臂、液压系统、喷雾系统、电控系统和其它辅助装置组成。其中摇臂由减速机构、截割电机、截割滚筒、连接板及截割调高油缸组成；行走部包括无链牵引机构和内外牵引齿轮减速箱，无链牵引机构通常有销轨、链条和齿条3种，其中链条式牵引系统能够很好地适应工作面波动，可以适应8°的倾斜角；电控系统包括变频器、变压器、电控箱，还有漏电保护、故障诊断的收集、判断、处理、控制、状况显示、报警装置等;液压系统由液压泵、控制元件和执行元件组成；喷雾、润滑系统由动力源、传动控制元器件等组成，辅助装置由滑靴、机腿、破碎机及顶护板等组成[1]。

1.2 工作原理

采煤机主要通过装载截齿的截割滚筒在行走机构的牵引力和减速机构的带动下在井下实现采煤功能。采煤机利用截割滚筒的螺旋叶片旋转来实现装煤。割下的煤块被螺旋叶片装到刮板输送机上进行下一步运送[2]。

1.3 现有采煤机截割部过载保护方式

国内外目前现有的采煤机截割部一般采用扭矩轴传动进行过载保护。截割电机内转子轴是在设计在花键槽后端的空心轴。扭矩轴则通过电机后端盖穿过空心轴，一端配合电机输出，另一端则与截割部减速器的A齿轮内花键进行啮合，因为扭矩轴是起过载保护作用的，故设计成两头带有外花建、两端较粗，中间细。为使得电机在承受冲击载荷后能够及时断裂而起到保护作用，扭矩轴在后部外花键以内轴上装载圆弧形凹槽细颈。当采煤机的截割滚筒受到瞬间冲击或者发生闷车时，冲击载荷大于电动机的最大额定转矩时，扭矩轴会从细颈处产生断裂，使得齿轮和其它零件不会被损坏。断裂的扭矩轴可以通过其螺纹孔进行更换。在采煤机运行过程中，扭矩轴的折断扭矩值设定的恰当与否，会直接影响截割部零部件的使用寿命，若是扭矩值设置过大，可能会导致截割部的电机烧坏或者部分结构件损坏，但是扭矩值设置太小，扭矩轴则会经常发生断裂，给井下设备更换带来极大的压力，并且维修成本大大增加。增加煤矿生产成本，同时也会增加维修时间[3]。

2 限矩器（限扭矩联轴器）分析

2.1 结构组成

限矩器即扭矩限制器，在整个使用周期内不需要调整，限矩器打滑之后也不用润滑和重置，可以很容易测得磨损量，不影响装置运行。其基本结构是5个主要零件组成的，分别是传动法兰、压力板、输出毅、弹簧组件和摩擦片。传动法兰通过一个联轴器联接在主动件上，输出毅则通过自润滑衬套安装在传动法兰内，弹簧组件在压力板和传动法兰之间形成加紧力，采用颜色对弹簧组件力大小进行编码。通过弹簧组件组合可以获得扭矩的设定值，通常在齿轮箱的输入轴中安装输出毅[4]。

2.2 工作原理

电机和发动机好比大型飞轮，基本上可以占有驱动系总动能的80%～90%，若是采煤机突然停机在情况下承受瞬间过载冲击时，飞轮效应则产生远高于额定扭矩的惯性冲击，限矩器会阻止扭矩传递，摩擦盘、主动机之间会产生滑动，进而形成对采煤机截割部的过载保护作用。

联轴器的种类非常多，联轴器和限矩器组合形成限扭矩的联轴器，在结构上稍做处理即可，通过摩擦力传递扭矩，它的主要结构特点是将联轴器的轮毅更换成传动摩擦盘，传动摩擦盘被安装在限矩器摩擦片中间。限扭矩联轴器是否可有效地起过载保护作用，取决于限扭矩联轴过载的保护能力，但是主动链轮与摩擦盘的摩擦力矩大小决定限扭矩联轴器的过载保护能力，可通过调节螺丝来调整蝶形弹簧的弹力进行调整摩擦力矩大小，在符合采煤机的工作负载强度的要求下，通过设置限扭矩联轴器的传递扭矩，如果所传递的扭矩值高于额定扭矩时，限矩器则通过摩擦盘和主动机的滑动，限制扭矩的传递，从而起到很好的过载保护作用[5]。

2.3 设计要素

2.3.1 摩擦元件

摩擦元件是限扭矩联轴器运行的核心部件，常见的摩擦片类型有：

（1）传动盘摩擦片。摩擦传动盘是由传动盘与摩擦材料组合成一体，由限矩器的夹持钢盘和传动盘的摩擦进行传递动力。

（2）浮动摩擦片。摩擦片与传动盘则是互相分离的。浮动摩擦片的成本低、结构简单。

（3）有导向孔的摩擦片。该摩擦片有着较好的轴向补偿功能。

2.3.2 摩擦元件材料

摩擦元件材料的质量是影响限扭矩联轴器的过载保护能力的主要因素，所以摩擦元件的材质需要具有很好的质量。比如摩擦材料需要有很高而且保证摩擦因数稳定，具备良好的抗磨性和耐热性能，具有良好的工艺性能和机械强度。纸基摩擦材料和石棉基摩擦材料是比较常用的耐摩擦材料。石棉基摩擦材料有着摩擦因数高，价格低，制作方便，应用广泛的优点，但耐热性和导热较差。纸基摩擦材料则适用于油介质，摩擦系数是相对稳定的，静动摩擦因数的差距不大，均为0.13～0.15。

3 限矩器实现过载保护的方案

为解决采煤机的截割部在工作时受到较大的冲击载荷后引起传动系统的主要零部件电机烧坏或产生损坏的问题，提出使用限矩器替代扭矩轴过载的保护方案。整个传动系统是由输入电机、减速机、联轴器一限矩器组成。安装联轴器则能有效解决的输入输出轴不同心问题，同时限矩器设置一个合理的额定安全值，很好地保护了整体传动系统，减小冲击载荷，提高整个系统的可靠性，而且整套保护装置是免维修的[6]。

（1）方案一：限矩器安装在减速器和电机中间。

保护装置通过电机内花键与联轴器一限矩器的外花键联接，减速器齿轮内花键与另一端联接来进行传递动力和扭矩，给限矩器预先设定好一个额定的扭矩值后，当摇臂在截割时，遇到冲击载荷高于电机最大输出能力之后，限扭矩联轴器则会通过打滑进而实现对整套的传动系统保护。在该装置中装载联轴器，可解决电机在输入和输出轴在加工中出现不必要的不对称J险，利用限扭矩联轴器控制截割部的传动系统的载荷波动，进而保护整套传动系统的限矩过载[7]。

（2）方案二:在电机尾部安装限矩器。

传动轴由截割电机的空心转子轴的一端与一级直齿轮的内花键进行联接，另一端和限矩器的内花键进行联接，限矩器的外花键则与电机的输出内花键进行联接进而实现扭矩和动力的传递，由此传动轴就会把电机产生的转矩通过传动轴、限矩器、行星传动机构、A齿轮传递到截割滚筒上。采煤机滚筒受到突然的冲击载荷时，负载可能会超过电机的最大额定转矩，限矩器则通过打滑来保护传动系统的[8]。