采煤机行走箱优化设计与应用

2024-04-10李柠柠

当代化工研究 2024年5期

＊李柠柠

（山西忻州神达晋保煤业有限公司山西 036600）

引言

采煤机作为煤矿开采的主要设备，其稳定可靠的运行对于矿井生产效率和安全性至关重要。采煤机的行走箱作为其核心组成部分之一，在采煤工作中起到支撑、行走和传动的重要作用。然而，长期以来，行走箱故障频发，导致采煤机维修时间增加，降低了生产效率和经济效益。因此，对采煤机行走箱的故障进行深入研究，并提出优化设计方案，对于提高采煤机的可靠性和使用寿命具有重要意义。

1.采煤机行走箱技术现状

行走箱为采煤机的核心构成部分，影响着采煤机的工作状态。行走箱中包含多个部件，如壳体、驱动轮组件、行走轮组件和导向滑靴，不同部件在相互配合下可提高行走箱的可靠性。采煤机的牵引部作为必不可少的部分，借助花键轴为动力传递创造理想条件，动力到达驱动轮时，采煤机即可进入工作状态。许多煤矿因生产条件的复杂性，在作业中为大采高采煤机行走箱，该设备为一级变速齿轮传动，驱动轮与行走轮组件的大齿轮存在啮合关系，从关系上能促进转矩的传送。现阶段行走箱虽对煤矿生产作业具有一定作用，但其在长期使用中暴露了诸多不足：新工作面上采煤机工作时，作业期间的煤粉较少，无法起到润滑作用，增大了行走轮与销排、导向滑靴与销排之间的摩擦阻力，运行期间伴随着较大低噪音，牵引电机的载荷量过大；壳体为软性材料，运行期间伴随着交变应力作用，在该作用的持续影响下，方轴与壳体之间的间隙偏大，超出了正常标准，如未及时控制此问题，松动、跟转故障的出现频次高，危害大；井下行走轮轴不易拆卸，工作量大，安全隐患多[1]。现有的许多采煤机行走箱设计更多地集中在理论方面，并未保持理论与实践的结合，这是未来需着力关注的方面。

2.采煤机行走箱改进设计

(1)滴油润滑装置

采煤机行走箱在运行期间，滴油润滑装置必不可少，如能配备高性能的滴油润滑装置，能有效减少摩擦，并降低磨损危害，使行走箱高效运行。结合行走箱的工作特点，其滴油润滑装置一般布设在行走箱壳体顶部开槽区域，在该装置盖板上，设有1个内六角螺塞，其在整个系统的运行中可作为加油口使用，下端布设有2个滴油口，从垂直角度，滴油口与驱动轮、行走轮齿宽中心完全对应，此结构特征下决定了该装置的润滑效果[2]。滴油润滑装置的构成，如图1所示。

图1 滴油润滑装置结构示意图

滴油口有中心钻孔螺栓、毛毡，此装置运行期间，往油箱中注入一定的工业齿轮润滑油，当润滑油浸润过毛毡后经由螺栓孔滴下，左、右侧滴油口的润滑部位有所不同，分别为润滑驱动轮、行走轮。两滴油口螺栓部位用防松钢丝拴紧，以防止在强大的振动作用下导致螺栓松动或者脱落。结合大量的实际经验，新工作面采煤机的齿轨、销排啮合期间，配备滴油润滑装置以后，对改善啮合噪声、减小牵引阻力有显著作用。

(2)增加耐磨套

行走轮组件中的中心轴，在设备工作中的作用突出，正常情况下中心轴为双向受力，既有来自轴向的作用力，也承受径向作用力。因为此工作特点，在与行走箱壳体配合段需增设方形定位，有效预防跟转问题。但因为行走箱壳体为软性材料，其在与其他部件配合工作期间易出现塑性变形。为此，考虑到此现象，行走轮中心轴、壳体配合段应使用42CrMo材质钢套，以增强壳体强度，使中心轴正常工作[3]。改进前后的结构情况，如图2所示。

图2 改进前后结构对比

(3)新型支撑套结构

原有结构中的钢套、壳体配合长度略深，一旦轴端承受较大的作用力，该作用力挤压下导致钢套与壳体之间相互粘结，但由于井下空间相对狭小，几乎无法拔出，行走轮轴的退出困难，影响了采煤机的正常工作。出于上述考虑，一般需整体更换行走箱，但此方式下检修人员的工作量较大。煤矿生产作业中还会遇到以下特殊情况：更换的旧行走箱送到机修厂时，应利用顶丝抽拔支撑钢套，无法使行走轮轴承受设备压力作用，此情况下必须切割支撑套顺利取出行走轮轴，上述情况下考虑配备全新的支撑套结构，新结构将支撑套划分为两个部分，煤侧壁端盖、壳体配合深度浅，上面使用大顶丝并用螺堵做好密封工作，此结构下煤渣无法进入，对预防堵塞现象非常有效。此外，另一侧钢套从行走箱内侧装配，相关人员在按照相应要求拆除端盖后可直接配备专业工具，顺利顶出行走轮轴[4]。如在实际的工作中遭遇突发性问题，行走轮轴的抽出受阻，应整体更换行走箱，在机修厂内借助压力机的作用，压出行走轮轴。

(4)选用自润滑轴承

配备特定型号的密封轴承，如SKF两侧有密封胶圈的密封轴承，这类型轴承的内部自带润滑脂，即使在高污染环境中，这类型轴承也能保障最佳的使用性能，且后续的维修工作相对简单，能满足煤矿作业的工作需求。

(5)行走电气与变频系统

①基本情况

采煤机右前方、左前方分别有电气控制箱、变频器，二者的控制对象有所区别，分别为截割电机、行走电机。为了给采煤机运行提供电力资源，矿井供电系统与电气控制箱之间应建立可靠的连接关系，从电气控制箱接入变频器供电，只要矿井供电连续、稳定与安全，变频器就有电力保障。变频器利用变频器箱将其控制、反馈信号与电气控制箱相联系，即可营造良好的通信条件，保障通信便捷性，及时解决设备运行中的问题[5]。

电气系统驱动单元的电机数量为8个，能为液压、装运、除尘、牵引等机构提供电力资源，保障这些机构能各自发挥其作用。行走机构在正常状态有额定的电压，功率分别为1140V、55kW。电气控制箱内的部件众多，有断路器、保护元件等，这些部件能在遭遇特殊情况时及时进入保护状态，避免电气故障范围的持续扩大。

变频系统为交直流相互转换模式，其系统内的IGBT是主控元件，其可靠性非常高，兼具诸多优势，如启动电流相对较小，输出力矩非常大。变频系统内的硬件包含电源、通讯、讯号检测等多个模块，性能优越，当变频系统进入运行状态后，IGBT的启动电流、输出力矩分别保持在较低水平、较高水平。

变频系统内配备的是四象限变频器，其特殊性在于整流部分安装有IGBT功率元件，此结构特点下，交直流电转换简单，不再受到诸多限制，电能的双向传输更为高效和安全。上述特点能避免采煤机下坡期间因行走机构发电导致变压器过压，并能高质量完成电气制动，保障制动过程中的能量能回馈到电网被再次利用，提高电力资源的综合利用率。另外，电网中即使并无高电压通过，四象限变频器也能输出1140V高电压，使电机能顺利输出转矩，维持电机最佳的运行状态[6]。

②行走变频系统的优化

在煤矿作业过程中为符合生产需求，采煤机的调动频繁，空顶条件下的应用效果相对理想，能保障生产作业的安全性。因此，工频状态下的非移动拖动系统存在诸多不足，而变频系统在此基础上进行了结构改造、功能调整，在实际的工作中不仅能自动调整速度，还能调节牵引功率的大小，操作简单且系统可靠性、稳定性较高。

采煤机行走变频系统内的元件种类繁多、数量庞大，每一元件都有其特定的安装位置与要求，在整个系统工作期间也承担不同的作用，典型元件为逆变器、电抗器，在这些不同元件的相互配合下，能自动检测母线电压力输出电流值，并实时通信[7]。电气控制箱并非单独存在的部分，通过与装运、截割等设备的关联，再将变频器与行走电机可靠连接，能促进采煤机克服现场环境的不利限制，高效完成采煤任务，为企业创造更大的效益。

变频器箱内部结构复杂，包含诸多部分，主要为检测机构、整流电容、电抗器，这些分别分散在电控箱的指定位置。IGBT功率部件的热量较大，其处于电控箱后板上部，变频器箱内，检测机构、整流电容、电抗器都为不可或缺的部分，任何一个部分发生些微故障，都会给变频器箱的运行带来风险，不利于采煤机工作。IGBT功率部件在运行过程中伴随着较大的热量，在电控箱后板上部有循环水，可促进功率部件的散热与冷却。整流电容、电抗器等各个部件处于变频器箱的底板，通过这一设置方式，不同部件之间的布设相对简单，能为后续的维护与调试工作提供便捷。但此方式也存在一定的不足，不同电气元件之间由走线实现连接，控制箱内的功率元件数量庞大，排列与接线相对困难，工作量大，后续变频系统安装、调试与维护都十分不便。

针对上述问题，在采煤机内部行走系统的优化中应开展集中化处理，综合分析变频系统的构成及运行特点，大部分电子元件与工频系统内的电子元件安装位置各有不同，在整个采煤机运行期间的作用也存在显著差异。变频器控制与检测系统、工频供电系统之间虽存在一定的连接关系，但决定多数情况下各自的工作具有独立性，在集中化设计思路下，通过促进不同模块之间的可靠连接，再利用功率母排集中连接整流与逆变单元。

优化结束后，变频器能实现封装，其封装对象为驱动电路、整流部分和逆变部分，将这些封装在不锈钢机壳中，能提高系统工作性能，减小外部因素对设备运行的干扰。

在原有基础上改造变频器后，变频器性能大大提高，改造后供电电源AC1140V经过三相电抗器后接入变频器，行走机构向电控系统PLC发送控制指令，PLC执行指令和动作。