中厚煤层大功率采煤机摇臂设计与研究

张 鹏

（霍州煤电庞庞塔煤矿， 山西 吕梁 033200）

0 引言

近几年，我国经济的快速发展带动着能源消费结构发生了变化，煤炭作为主要的能源资源，在社会的发展过程中有着至关重要的作用。中厚煤层是大部分煤炭储量的主要形式，因此对中厚煤层的开采效率直接决定了煤炭的供给能力。中厚煤层的开采效率主要是由其相关的配套设备的可靠性和稳定性决定的，采煤机作为煤炭开采的主力设备，其工作的效率和稳定性直接影响着煤炭的开采速度。煤炭的需求量逐年上升，因此，对采煤机的结构和性能方面提出了更高的要求。摇臂是采煤机众多部件中的一项比较重要的结构，通过壳体、内部传动机构、电气控制系统、以及冷却润滑系统共同组成[1-2]。在采煤机运行的过程中，摇臂为采煤机的滚筒提供动力，承载滚筒在截割的过程中受到的各种冲击载荷、拉压应力等。在复杂的工况环境下对摇臂的性能和结构有着非常高的要求，因此，对中厚煤层大功率采煤机挖臂展开设计研究。

1 中厚煤层大功率采煤机总体设计

采煤机是煤炭开采的关键装备，提高其效率对中厚煤层开采实现千万吨级有着重要的促进作用。由于我国目前使用的采煤机未有达到相关要求的，因此本节在传统采煤机的结构基础上对其进行大功率采煤机的设计。

1.1 中厚煤层大功率采煤机总体设计目标

目前，大多数煤矿为全自动化开采，在实际的应用过程中主要表现为：采煤量大、综采工作面布置的设备配套性能比较高以及综采设备的开采技术比较先进。虽然较之前的传统开采方式已经有了很大的提升，但是与现阶段的要求仍有着一定的差距。因此，迫切的需要设计和研发能够适用于中厚煤层高产高效的采煤机。本文研制的采煤机的总体设计目标如下：

1）采煤机通过利用变频技术实时调整采煤机的运行速度和截割速度。由于大功率一般都比较大，因此要提升采煤机的牵引力以及各个连接部件之间的连接件必须使用高强度螺栓等。大功率采煤机的驱动方式分为两种，一种是电机驱动，另一种是整体装置液压驱动，这两种方式对大功率采煤机都有着严格的要求，不仅要保证其结构紧凑，而且对电控系统的要求更高，控制部分增加数字信号处理模块以及数据传输模块，利用总线的形式进行传输数据信息[3]。

2）大功率采煤机在截割的过程中存在着粉尘较大的情况，在截割部分要配备有喷雾降尘装置。大功率采煤机的减速摇臂箱由于其运行速度比较大，因此需要考虑到降温散热措施，设置水冷装置对其进行降温散热。

1.2 大功率采煤机的设计参数

为了保证大功率采煤机能够适应中厚煤层的开采，在参数设计方面，要求采煤机的装机功率要大约等于2 200 kW、两个截割部分的功率要达到900 kW以上、牵引部分的功率要大于200 kW、牵引速度要大于15 m/min、刮板输送机的后机高度要小于1 850 mm，以保证能够对中厚煤层进行开采。本文所设计的采煤机要保证采煤机的截割功率、牵引速度以及设备开机率都明显高于现阶段传统使用的采煤机。按照设计目标以及相应的设计标准，采煤机的摇臂的性能参数如表1 所示。

表1 采煤机摇臂性能参数

2 中厚煤层大功率采煤机摇臂传动系统设计

中厚煤层大功率采煤机摇臂的传动机构是将电机的动力传递到截割部分的作用，根据不同形式的机械传动装置采煤机的结构不同，而且不同井下环境对应着不同的采煤机传动结构。为了保证采煤机截割部分的传动能够满足大功率、高采高以及大承载的作用，本文设计的中厚煤层大功率采煤机摇臂的传动装置全部设计到摇臂内部，截割电机呈垂直方式布置在摇臂的尾部，通过摇臂内部的传动系统实现对动力的传递，实现了结构简单，传递环节少的优点。充分考虑煤矿井下开采过程中存在着承受载荷不均匀以及冲击不稳定的工况，因此摇臂的传动系统采用二级直齿传动以及二级行星传动链的结构形式，为了保证摇臂能够在传动过程中稳定可靠的应用，设置有齿式离合器以及扭矩轴机械保护装置，实现了离合保护以及过载保护的功能。传动系统的电机选择考虑到煤矿井下特殊的工作环境以及相关安全规程要求，选择具有隔爆型的全封闭水冷式的YBC-900G2 型号的电机。

在传动的过程中第一齿轮轴由于其连接的是电机轴因此设计为齿轮轴，两端利用轴承座进行固定，如图1-1 所示。第二根传动轴设计为齿轮和轴分离的形式采用平键进行周向固定，这种形式比较适合煤矿井下比较复杂的工作环境。第三根传动轴设计为轴齿轮，外侧加工有外花键，利用两个圆柱滚子轴承支撑。第四、五、六传动轴设计为惰轮传动轴形式，实现对摇臂的跨度的加长，以达到预期设计的长度，如图1-2所示。

图1 部分传动轴

3 中厚煤层大功率采煤机壳体材料设计及有限元分析

3.1 中厚煤层大功率采煤机壳体材料设计

根据不同材料的性能比较，中厚煤层大功率采煤机课题材料选为CrNiMo 系铸钢。通过对其进行热处理再增加其性能。热处理工艺为首先是进行空淬，铸件在加工前要正火再加两次高温回火。完成粗加工后在进行正火和回火，在精加工前要进行焊接水套，敢接完成后要对其进行消除内应力回火处理。最后通过对合金元素的微调最终得出材料的成分如表2 所示，其材料成分为ZG30CrNiMo[4]。

表2 材料成分

3.2 中厚煤层大功率采煤机壳体材料有限元分析

为了保证中厚煤层大功率采煤机壳体能够达到与其承载和负荷的目的，通过对其进行有限元分析的方式进行研究。本节采用的有限元分析的方式首先需要对其进行三维建模，建立大功率采煤机各个零部件的三维模型，并通过虚拟装配的形式保证各个部分之间能够正确装备。三维模型装配的过程中也能够验证采煤机摇臂各个零部件尺寸、结构设计是否合理[5]。在对其进行静力学分析前，对摇臂的三维模型进行优化：假设摇臂的各个部分均匀链接，忽视装置上设置的倒角、圆角等，摇臂各个部分为刚性连接。在材料设置时，选择抗拉强度为700 MPa，弹性模量为2.11 GPa、密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3。最后有限元分析结果中厚煤层大功率采煤机壳体应力分布云图如图2所示。

图2 中厚煤层大功率采煤机壳体应力（Pa）分布云图

根据图1 能够发现最大等效应力出现在铰接孔位置，其他部分的应力分布均比较均匀。按照壳体材料的屈服强度要大于等于600 MPa，因此壳体采用的材料完全符合相应的要求，并且有着较大的安全系数。

4 结语

随着对煤炭需求的不断增加，煤炭开采过程中需要更高效率、高可靠性的采煤机。通过对传统采煤机的深入了解，结合煤矿井下的安全规程要求，对中厚煤层大功率采煤机进行总体设计。提出了其设计目标，确定了大功率采煤机的性能参数。摇臂作为采煤机的重要部件，对摇臂的传动系统的布置以及传动轴进行设计，确定了摇臂的电机型号。最后根据摇臂的工作工况，确定摇臂壳体的材料，利用有限元的方法对其进行验证，证明ZG30CrNiMo 材料能够满足井下开采的需求。中厚煤层作为煤炭储量中的多数，对其进行开采时，必须利用大功率采煤机以提高开采的效率和开采的安全性，大功率采煤机的应用有助于煤矿进一步提升采煤效率，提高采煤机的开机率，保证煤炭资源的供给稳定。