采煤机摇臂部件设计研究

郭强强

（山西凌志达煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

我国煤炭资源储量十分丰富，已探明的煤炭占化石能源的90%以上，煤炭供给对我国国民经济发展、社会持续稳定以及能源安全具有巨大的战略影响。中厚煤层是我国所有煤层覆存形式中占比最大的一种煤，约占煤炭产量的1/2，因此，提高中厚煤层的开采能力对矿井资源高效开采十分重要。采煤机作为我国重要的煤矿开采设备[1-2]，主要负责煤块的截落及装运工作，采煤机摇臂作为采煤机关键部件，为滚筒提供动力及截割所需空间，在采煤机工作过程中，由于负载工况的作用，造成采煤机摇臂极易出现断裂、压溃等现象，严重影响采煤机的运行效率[3]，因此对采煤机摇臂受力情况进行分析是十分有必要的。

1 采煤机摇臂设计

采煤机的摇臂是采煤机的关键部件，摇臂的作用主要是为滚筒提供工作动力、运动及滚筒割煤所需空间。采煤机截割传动机构是采煤机截煤的关键机构，是将动力传递给滚筒的部件，截割机构主要包括壳体、传动系及附属构件等。在进行煤体截割过程中，为了适应采煤厚度的变化，需要实时对采煤机滚筒的高度进行调节，所以壳体应做成在机身两端固定轴摆动的摇臂。作为采煤机滚筒与机身连接部分，其不仅是截割部传动系统箱体，同时是截割电动机的载体，所以其不仅需要实现转速的传递，同时要具备满足要求的刚度和强度，所以采煤机的摇臂设计对采煤机高效开采十分重要。

2 部件设计

2.1 电动机设计

对采煤机摇臂进行设计，首先对传动系统电动机进行选型，由于采煤机的工况环境较为复杂，在进行电动机选型时，电动机需要满足防爆要求，所以考虑此条件后，选用YBC 系列的隔爆型全封闭水冷式三相异步电动机，选用的电动机具有优越的防爆性能、过载能力及冷却性能，能够满足安全规程要求，适用于煤矿井下的工况。根据尺寸、价格及可靠性等要求，最终选定电机型号为YBC-900G2。该款电机额定功率900 kW，额定电压及额定电流分别为3 300 V 和180 A，电机转速为1 488 r/min，质量为3 200 kg。

2.2 传动组件设计

对采煤机摇臂传动组件进行选型设计，传动组件主要包括行星减速器、内喷雾供水装置和离合器。考虑到摇臂壳体内部安装有截割传动系统，所以细化设计可以增强其完整性，对采煤机摇臂行星减速器进行设计。行星减速器由行星轮、内齿圈和太阳轮等组成，在采煤机运行过程中，在功率保持不变、速度降低的同时，会造成部件出现较大的扭矩，极易造成行星架的损坏，可见行星架属于薄弱环节。采用有限元仿真方法对其强度进行校核，首先在三维建模软件Pro/Engineer 和WildFire 中对行星架三维模型进行建立，将建立的模型导入ANSYS Workbench 中，模型采用45 钢，材料的弹性模量为210 GPa、泊松比为0.269、屈服强度为950 MPa、密度为7.85 g/cm3。完成模型参数设定后对其进行网格划分，网格采用20node SOLID95 单元，网格单位外观类似六面体，划分完成共计338 204 个单元和573 867 个节点，完成网格划分后对力进行设置，截割滚筒一端施加截割转矩，在结构的另一端通过花键连接，花键受力面施加相同载荷值，对模型进行求解。应力变形图如图1 所示。

从图1 中可以看出，在模拟云图中，在X、Y、Z 三个方向应力最大值均集中在采煤机摇臂行星架的花键轴末端处，在此位置由于受到两种载荷的叠加作用，使其数值达到最大值，最大值为409.46 MPa。根据所用钢材的许用应力可以计算得出材料的屈服强度为950 MPa，明显大于材料的最大应力值，同时留有一定的安全裕度，所以能够满足材料的强度要求。观察行星架的应变云图可以看出，整体行星架的位移变形量均较小，行星架的变形量最大值仅为0.292 mm，位移变形量的最大值出现在行星架夹板的边缘。行星架能够满足工况运行要求。

图1 行星架应力变形云图

2.3 离合器、喷雾供水装置、壳体设计

2.3.1 离合器

对传动组件离合器进行设计，为保证部件的安装及更换安全性，同时达到控制电动机及滚筒转动的要求，所以摇臂须设置离合机构。离合机构置于两级传动轴间，利用离合器工作，达到啮合与脱离效果。设计的新型离合机构，由柔性轴、拉杆、套杯、小轴承、手把和销子等组成，具体设计示意图如图2 所示。离合机构设置在截割电机的尾部，在柔性轴上布置两处花键。使之实现传动柔性连接，尽量减少滚筒工作时的振动作用，提高稳定性。传动过程离合是靠拉杆动作实现，动作简单易行，避免了火花等事故，能够适应井下恶劣的环境。

图2 离合器示意图

2.3.2 喷雾供水装置

对采煤机内喷雾供水装置进行设计，喷雾冷却水由摇臂水道经过端盖进入密封座，不锈钢管连接密封座，通过不锈钢送水管、滚筒的内喷雾供水口煤壁侧高压软管相互连接，冷却水进入滚筒叶片水道，完成喷雾供水任务。设计的喷雾供水装置，密封性能较好，通过简单的送水就能够完成喷雾功能，满足采煤机喷雾装置的供水要求，在井下恶劣工况下能够保持较好的工作特性。

2.3.3 壳体

对采煤机摇臂壳体进行设计，在进行摇臂壳体设计时需要考虑诸多因素，不仅要考虑内部的传动结构，同时需要考虑工作环境和施工空间等。设计的摇臂壳体结构一般分为4 种，分别为弯摇臂、直摇臂、整体式和分体式。根据设计经验及资料分析后，在确定滚筒直径为2 240 mm。为优化及提升滚筒的装煤效果，壳体采用弯摇臂结构，壳体内部布置截割电动机、轴承、传动齿轮及其他零件，摇臂箱体为整体铸钢件，具有较高的强度。同时为了方便后期的检修，所以箱体的盖板采用分体式，便于实现机器故障检测及维护。壳体设计示意图如图3 所示。

图3 壳体设计示意图

3 结论

1）对采煤机摇臂的工作原理进行研究，同时对采煤机设计要求进行分析，为后续采煤机摇臂部件设计提供一定的依据。

2）对采煤机摇臂行星架的强度进行校核，利用数值模拟软件对其工况下的应力变形云图进行分析，发现行星架的应力及应变均能够满足工况运行要求。

3）对采煤机摇臂传动电动机、离合器、内喷雾供水装置和壳体等进行设计，为采煤机摇臂稳定性的提升提供参考。