矿井采掘机械振动截割机构结构的改进研究

2018-09-18李文瑾

机械管理开发 2018年9期

李文瑾

（汾西矿业集团矿山设备管理中心，山西介休 032000）

引言

现阶段矿井采掘采用比较多的悬臂式综掘机，对于所截割岩石的单轴抗压强度处于40～80 MPa时具有良好的适应性，但无法满足所有地层条件。随着采矿技术的不断发展，矿井开采向深部发展，掘进断面不断增大，以及周边岩层的硬度不断增加，对综掘机的截割性能要求更加严格。

鉴于此，世界各国在截割技术方向上都进行了深入的探索及研究，例如20世纪90年代初，俄罗斯National University of Tula研发出了惯性冲击振动器；德国某研究院研发出了振动式滚刀综掘机切割头；南京某公司起先研发了ELMB-75C型振动综掘机，然后研发了EBJ-132A型振动综掘机,还有一些国家选用高压细射流助切和增大截割功率等方法，然而经过实践证明，提高截割技术最有效的措施就是选用惯性冲击振动机构。

1 改进后振动截割机构的分析

图1所示为改进后振动截割机构的工作原理示意图，图中1表示截割头、2表示偏心锤、3表示齿轮8、4表示齿轮7、5表示弹性联轴器、6表示大臂、7表示主轴、8表示电动机。

图1 改进后振动截割机构的工作原理示意图

改进后的振动截割机构的主要组成为截割头、减速装置、惯性冲击振动机构和主轴。其中减速器采用二级行星减速器，减速器运转时通过电动机输出轴带动一级太阳轮转动，一级太阳轮再带动一级行星齿轮转动，一级行星轮的轮架带动二级太阳轮转动，二级太阳轮带动二级行星轮转动，二级行星轮轮架连接着截割头1，二级行星轮架带动截割头1转动；惯性冲击振动器的组成部分为偏心锤2、齿轮3和齿轮4。惯性冲击振动器在电动机的带动下运转，其中偏心锤2在齿轮3和齿轮4的作用下绕自身的轴线自转，在截割头1传动架的驱动下与其一体绕综掘机主传动轴公转。

改进后的截割机构增加了机械分流传动的功能。其中功率流一方面是从主电机通过减速器传送到截割头，形成截割力矩进行截割，另一方面是从主电机通过离合器、齿轮4以及行星轮3传送到偏心锤，产生离心力后经由行星架传送到截割头，形成扭振力矩进行破碎，然后两功率流经由行星架合在一起，形成振动截割[3]。

相比之下，改进后的振动截割机构结构更加简单，操作更加方便，而且也大大降低了制造成本。

2 改进后振动截割机构的结构分析及设计

2.1 行星齿轮减速器的分析及设计

行星齿轮减速器的设计具体是对两级传动齿轮、行星轮、行星架、主轴和其他部件的计算及设计。其中，最关键的是对两级传动齿轮的设计，包括对齿轮材料的选择、主要参数的确定、热处理及制造工艺的选择、对各部分尺寸的计算、齿轮强度的计算及其啮合度的计算等。

根据《现代机械传动手册》对齿轮的模数、齿数、齿宽、分度圆直径、齿顶圆直径以及齿根圆直径进行了确定。同时也确定了行星架选用双壁式行星架，材料选用ZG40Cr，双壁式行星架的优点在于刚度大，受载变形小以及噪声少，其中把行星架的左侧设计成渐开线花键，然后通过与第二级的太阳轮配合进行传送扭矩。

行星轮轴设计时需要考虑到离心力的作用，因为行星轮两侧需要承受啮合力以及离心力，由于转壁速度的升高，形成的离心力会造成轴承的承受力加大，所以对啮合作用力的计算，需考虑到离心力的作用。其中轴承的选择及校核需参考《实用轴承技术手册》和《轴承标准汇编》[4-5]。

主轴的设计需要进行材料的选择、结构的确定以及强度的选取，如果有其他的要求还需考虑到刚度和稳定性。由于振动截割机构对轴的要求比较高，所承载的扭矩也较大，因此需要选用的材料为20Cr2Mn2Mo，调质硬度（HB）为 260～280,许用扭应力为52 MPa。

2.2 偏心锤的优化研究

偏心锤的设计中最主要的是对工作参数和几何参数的确定。若是工作参数确定后，影响运行效果的就是几何参数。其中几何参数的设计则要依据偏心锤所处空间的大小进行设计，偏心锤位于综掘机截割头内腔，所以截割头内腔的大小决定偏心锤的几何参数，而轴向空间尺寸则由于截割头内的传动架受到了局限。如图2所示为偏心锤径向空间尺寸示意图，图中：R为综掘机截割头的内腔半径，r0为截割头内传动架的外缘半径，r3为偏心锤旋转轴线与截割头主轴轴线的间距，rv为偏心锤最大允许设计空间半径，rm为偏心锤的最大外圆半径。其中偏心锤可利用的最有效的空间是R和r0。

为了确保偏心锤的正常运转，设计偏心锤所允许的最大空间的选取应由rv值确定，以下为确定rv值的公式：