采煤机拖缆装置的改进设计

乔钻钻

（大同煤矿集团华盛万杰煤业有限公司， 山西 运城 043300）

引言

目前，我国煤炭开采已经逐步进入综采时代，各种综采设备采煤机、掘进机、输送机等大型机电设备的可靠性直接决定综采工作面的采煤效率。矿用电缆是煤矿综采设备供电系统必不可少的部件，电缆的质量及工作面对电缆的保护措施是否到位决定电能的传输是否稳定、安全。采煤机托缆装置主要用于对其电控系统和喷雾降尘系统的保护，以确保电缆及水管在采煤机牵引时不会出现折弯、挤压的问题[1]。就目前而言，采煤机的托缆装置仍然存在保护失效、电缆夹板偏移等问题，从而制约了煤矿的安全、高效生产。故，为保证煤矿机械化、自动化、高效率的生产，需对采煤机托缆装置进行改进。

1 托缆装置现状的分析

实际生产过程中，根据地质、水文条件以及煤层特点选用最佳的采煤机方式。经统计可知，我国主要采用长臂式采煤法，主要包括有炮采、普通机械化采煤以及综采工作面的回采[2]。本文所研究的托缆装置主要应用于MG250/600-QWD采煤机，该采煤机可用于倾角0°～45°煤层的开采。该采煤机的关键参数如表1所示。

1.1 采煤机电缆的类型

总得来讲，由于我国材料行业相对落后导致采煤机电缆的发展受限。目前，应用于综采工作面采煤机的电缆类型为A型和B型。在实际采煤过程中，电缆的线芯容易断裂。导致工作面电缆线芯断裂的主要原因包括有：采煤机结构不合理所导致；由于电缆内导体、内外绝缘层所采用材料的性能不如国外，导致其伸长性能及抗拉强度无法满足实际生产的需求；采煤机托缆装置的设计强度不够以及采煤机本身的加工工艺相对落后等。

表1 MG250/600-QWD采煤机关键参数

1.2 托缆装置的研究

1.2.1 托缆装置的组成

为确保采煤机托缆装置和高压水管不被挤压、折断，采用托缆装置对其线缆、高压水管进行保护。将线缆、高压水管置于电缆夹板中，将电缆夹板放置于刮板输送机的电缆槽中[3]。目前，托缆装置主要与刮板输送机配合使用，使得采煤机沿煤壁前进时托缆装置拉着电缆夹板前进。托缆装置的结构如图1所示。

图1 托缆装置结构组成示意图

如图1所示，托缆装置主要由6个部件组成。其中，电缆夹板作为托缆装置的关键零件，其强度、抗折弯强度以及寿命直接决定着采煤机供电系统电缆的安全。托缆装置安装于采煤机牵引机构的箱体上，导致其在实际生产中受到拉力、折弯等外力。

1.2.2 托缆装置存在问题

托缆装置虽然能够在保护采煤机电缆及高压供水管方面起到较好的效果，但是其在实际应用中常存在如下问题：

1）采煤机在前进过程中，托缆装置存在被卡住的风险，从而导致其局部受力增大使得托缆装置被夹断，最终导致采煤机的电缆和高压水管损坏。

2）采煤机在截割过程中，容易出现托缆装置层叠的问题，若处理不及时会导致电缆及水管被挤压出托缆装置，导致线缆和水管受到摩擦继而损坏。此外，人工拽直托缆装置的层叠问题危险性较高。

3）电缆夹板与托缆装置的通用性不高，使得电缆夹板与采煤机的连接方式不同。导致更换、拆卸、装零件时的效率较低[4]。

综上所述，为了满足当前综采工作面高效、快速、自动化的生产要求，急需对采煤机托缆装置进行改进设计，使其能够更好地与刮板输送机配合，提升其在恶劣、复杂工作面的适应能力。

2 托缆装置的改进设计

经分析可知，在大倾角采煤工作面，采煤机托缆装置所承受的局部应力较大，存在电缆夹板被夹断的风险，且电缆弯头存在被折弯的风险。本章节将针对上述问题对托缆装置的结构进行改进设计。

2.1 托缆装置伸缩臂的改进设计

伸缩臂作为采煤机托缆装置的关键部件，其主要功能为控制托缆装置沿着采煤机牵引方向的运动[5]。为了确保托缆装置拖拽电缆、水管时具有高灵敏度、调节方便，特对伸缩臂做出如图2所示的改进设计。

图2 伸缩臂的改进设计

如图2所示，伸缩臂主要由拖缆架、导轨、轨道、液压伸缩缸以及牵引部箱体五部分组成。为了满足托缆装置高灵敏度、调节便捷的要求，将伸缩臂的导轨改进为T型钢的结构形式，在提升其抗拉强度的同时降低了托缆装置的制造成本；将导轨与拖缆架采用焊接的方式固定，为进一步提升其连接强度，在导轨与拖缆架之间增设加强筋；为液压伸缩缸配置伸缩传感器对液压缸的实时工作状态进行监测，提升伸缩臂的灵敏度和控制精度；为了避免液压伸缩缸受到剪切力，将液压缸通过单耳环安装的方式固定于牵引部的箱体上，同时将活塞杆与导轨采用铰接方式连接。

基于ANSYS软件对改进后的伸缩臂进行仿真分析可知，在极限工况下伸缩臂的最大应力出现在导轨与采煤机牵引部相连接的接触面上，且最大应力为73 MPa，小于对应材料的许用应力。此外，导轨与拖缆架焊接接触位置的应力为第二大，由于此处增设加强筋的原因，导致拖缆架的变形仅为0.2 mm。

总之，改进后伸缩臂满足极限工况下的生产要求，可在实际生产中推广应用。

2.2 转动臂的改进设计

通过对转动臂高度的调整实现拖缆装置的拖缆高度。转动臂的结构如图3所示。

图3 转动臂结构的改进设计

如图3所示，转动臂主要由拖缆架、液压回转驱动器、拖缆轮以及摇臂四部分组成。转动臂的改进主要体现在将其摆动角范围控制在15°～75°之间，在对拖缆高度调节的同时，通过拖缆轮将电缆或高压水管最易被折弯的部分拖起，从而增大了电缆或者高压水管的折弯半径，避免了电缆、高压水管被折弯。

经仿真分析，在极限工况下转动臂的最大应力集中在回转轴与摇杆相交接的位置，且最大应力为42 MPa，小于所选材料的需用应力；且摇臂的最大变形位于销孔处，变形量为0.3 mm。

总之，改进后转动臂满足极限工况下的生产要求，可在实际生产中推广应用。

3 结语

采煤机作为综采工作面割煤设备，其工作效率和安全性直接决定综采工作面的产煤效率和安全性。在实际生产中，采煤机托缆装置尽管能够实现对其电缆及高压水管的保护，但是仍然存在电缆、水管被折断、损坏的情况。为此，需对采煤机拖缆装置的关键部件伸缩臂和转动臂进行改进设计，通过增强其关键部位强度和增加托缆轮的高度解决电缆、高压水管被折弯、损坏的问题。经仿真分析，改进后的伸缩臂和转动臂可在实际生产中推广应用。