中厚煤层采煤机截割部设计_雷丙涛.pdf

doi:10.13436/j.mkjx.2023050350引言采煤机是我国煤矿生产中重要的综采设备之一，近几年，采煤机的开发研制趋向高效、集约化、大功率、自动化程度高等方面发展；截割部是采煤机重要的工作机构，在采煤工作面起到截煤、装煤等作用。本文以MG500/1180-WD系列采煤机为例介绍中厚煤层采煤机截割部的研发设计，运用三维软件Inventor对各部件进行三维实体建模。1截割部输入功率的确定采煤机整机设计目标：平均采高H=3.05 m；截深B=0.8 m；采煤机设计产量M=600万t/a。设计年产量M=3651660BHvq（1）式中煤层密度，=1.31 t/m3。由式（1）初步计算可知，牵引速度vq=5.36 m/min，取牵引速度vq=5.5 m/min。截割比能耗H是确定截割功率时要考虑的一个主要参数，其大小与煤质、牵引速度等有如下关系：对于相同阻抗煤层，截割比能耗H=0.832 8-0.096 7vq+0.007 29vq2=0.52（2）对于不同阻抗煤层，截割比能耗Hx=HAx/A=0.745（3）式中A、Ax与煤质硬度有关的阻抗系数，其中不同截割阻抗，Ax取值240360 N/mm，取Ax=300 N/mm，相同截割阻抗，A取值180220 N/mm，取A=210 N/mm。采煤机截割功率Pj=QHx（0.6+0.4K3）K1K2=951 kW（4）式中Q设计生产率，Q=1 027 t/h；K1功率利用系数，取K1=1；K2功率水平系数，取K2=0.95；K3后滚筒工作条件系数，取K3=0.8；功率损耗系数，取=0.8。由此可以取截割部总功率为1 000 kW。2截割部整体结构和特点该截割部主要由截割电动机、截割减速箱、截割滚筒、离合机构、内外冷却喷雾系统等组成；截割部为整体弯摇臂结构，相对直摇臂结构可以加大装煤口，提高装煤率，增加块煤率。左、右截割部分别用阶梯销轴与左、右牵引部铰接，同时通过摇臂油缸回转腿上的圆柱销与安装在左、右牵引部壳体上的调高油缸铰接，通过调高油缸的伸、缩，实现左、右截割部的升降。截割减速箱和电动机可以左右通用，壳体和护罩等零件分左右。该截割部的减速箱传动系统由三级直齿传动和一级行星机构组成，其中第2级直齿传动可以改变齿轮传动比，调整输出转速，从而适应不同滚筒直径要求。中厚煤层采煤机截割部设计雷丙涛，李卫卫，陈庆贺（上海创力集团股份有限公司 采煤机研究院，上海201706）摘要：介绍了中厚煤层采煤机截割部的设计，着重介绍了截割部电机功率的计算和选择、截割部结构和特点、截割部基本设计参数和整体参数的确定、关键零件材料的选择，并对截割部各个零部件创建三维实体模型。关键词：采煤机；截割部；设计中图分类号：TD421.6；TH122文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0110 03Design of Cutting Part of Medium and Thick Coal Seam ShearerLei Bingtao，Li Weiwei，Chen Qinghe(Shearer Research Institute,Shanghai Chuangli Group Co.,Ltd.,Shanghai 201706,China)Abstract:Introduced the design of the cutting part of medium and thick coal seam shearer,mainlyintroduced the calculation and selection of motor power in shearer cutting part,the structure andcharacteristics of shearer cutting part,the determination of basic design parameters and the overallparameters of cutting part,the selection of materials for key components,and create three-dimensionalsolid models for each component and part of shearer cutting part.Key words:shearer；cutting part；design煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月110第44卷第5期Vol.44 No.5中厚煤层采煤机截割部设计雷丙涛，等截割电动机和摇臂一轴齿轮之间采用细长柔性扭矩轴联接，并且在扭矩轴设置有剪切槽，在截割滚筒受到较大的冲击载荷时对截割电动机以及机械传动系统的齿轮和轴承起到缓冲和保护作用，提高可靠性。截割部整体采用分腔润滑结构，直齿减速箱和行星减速箱之间安装有油封和密封圈，直齿减速箱和行星减速箱的齿轮油液互相不贯通，2个减速箱分别加入适量的齿轮轴承润滑油，以保证截割摇臂上下摆动时以及在不同倾角的煤层或者俯仰采截煤时，直齿减速箱和行星减速箱获得更好的润滑效果，对行星减速箱各齿轮和轴承等零件起到了很好的保护作用。采煤机在工作面角度较大的情况下，截割部齿轮箱存在润滑效果差的问题，为了有效解决此问题，截割部设计有强迫润滑系统；润滑泵与安装在三轴轴齿轮的花键套联接，出油口通过管路为直齿减速箱提供润滑齿轮油。截割部设计有齿轮腔冷却装置，在齿轮高速运转过程中，与截割部壳体的冷却水道对齿轮腔油液进行降温冷却，使齿轮油温保持在合适的温度区间，保证了齿轮油良好的润滑效果，从而保护了传动系统各个零部件，提高传动系统的稳定性，提升了齿轮、密封件、轴承等关键零部件的可靠性和安全系数。截割部壳体的冷却水经由齿轮腔周围冷却之后，进入截割部滚筒的喷雾系统，在截煤过程中，喷雾系统可以降低空气中粉尘浓度，使得采煤工作面工作环境相对安全和健康。截割部内喷雾系统与外喷雾系统采用各自独立的水路系统。内喷雾系统的冷却水经过截割部壳体上的冷却水道，进入安装在截割部七轴组件外部的冷却钢管进入内喷雾系统，经过内喷雾系统的不锈钢管，穿过行星机构组件，将冷却喷雾用水提供给截割滚筒，通过安装在滚筒叶片上的喷嘴喷出，起到降低采煤工作面粉尘的作用；外喷雾系统的冷却水先进入安装在截割部壳体的冷却水管，对齿轮腔齿轮油起到降温作用，随后冷却水进入截割部壳体的外喷雾冷却水道，在对齿轮腔冷却之后，冷却水通过布置在冷却水道外部的各个喷嘴喷出；内、外冷却喷雾系统起到降低齿轮腔油温、降低采煤机工作面粉尘等作用。3截割部主要技术参数（1）截割部滚筒转速截割部包括三级直齿和一级行星机构传动，截割电机功率500 kW,电机转速1 487 r/min，截割部总传动比有41.3、47.5、54.1三种；对应截割部输出有高、中、低3种不同转速：高速36 r/min、中速31.3 r/min、低速27.5 r/min；配套截割滚筒直径1 800 mm、2 000 mm、2 240 mm。不同滚筒直径在不同滚筒转速下的截割线速度如表1所示。表1不同滚筒直径在不同转速下的截割线速度（2）截割部采高范围截割部主要技术参数：机面高度/mm1 585滚筒截深/mm800截割摇臂长度L/mm2 731截割摇臂摆角/（）20.543.3截割下切量/mm546（滚筒直径2 000）采煤机理论最大采高Htmax=Ha+Lsin max+D2=4 403 mm（5）式中Ha采煤机截割部回转中心高度，mm；D滚筒直径，mm。考虑到实际采煤过程中，受底板上的浮煤和顶板下沉的影响，采煤工作面实际截割高度要适当减小，为保证采煤机正常工作，截割高度H范围：Hmax=0.95Htmax=4 183 mmHmin=1.12Htmin=2 016 mm（6）4截割部传动系统结构本文设计的截割部传动系统由三级直齿传动机构和一级行星机构组成。截割电动机通过扭矩轴渐开线外花键与截割部一轴直齿轮渐开线内花键相啮合，将转矩传递给一轴齿轮，一轴齿轮与二轴惰轮啮合，二轴惰轮与三轴大齿轮啮合，由此通过第一级直齿传动机构将转矩传递给三轴，并实现第1级减速；三轴大齿轮与小齿轮通过渐开线花键联接，将转矩传递到三轴小齿轮，三轴小齿轮与四轴大齿轮啮合，将转矩传递到四轴，并实现第2级减速；四轴大齿轮与四轴小齿轮通过渐开线花键联接，将转矩传递到四轴小齿轮；四轴小齿轮通过五轴惰轮和六轴惰轮将转矩传递给七轴齿轮，并实现第3级减速；七轴齿轮通过渐开线内花键与行星机构太阳轮的渐开线外花键联接，将转矩传递给行星机构，当行星机构太阳轮转动时，驱动行星轮沿本身轴线自转，同时又带动行星架绕其轴线转动，行星架通过渐开线外花键与方形联接套联接，通过行星机构的动力传递，最终将滚筒直径/mm1 8002 0002 240截割速度/ms1滚筒转速27.5 r/min2.592.883.24滚筒转速31.3 r/min2.953.283.67滚筒转速36.0 r/min3.393.774.22111第44卷第5期Vol.44 No.5中厚煤层采煤机截割部设计雷丙涛，等动力传递给滚筒，从而带动滚筒转动。该截割部传动系统结构紧凑，传动灵活，传动比大，传动可靠。在直齿传动与行星齿轮传动机构之间设置了分腔润滑结构，整体润滑效果好。截割部传动系统图如图1所示。图1截割部传动系统图5创建三维模型在项目产品研发设计过程中，运用三维模型设计软件建立产品三维模型已经成为重要的研发设计手段。本文运用Inventor三维设计软件，对截割部壳体、截割部齿轮传动系统、离合机构、内外喷雾系统等截割部组件建立了三维模型，更加直观、有效地检验了截割部各个零部件的设计合理性，并可作为截割部部分重要零部件进行结构优化的建模素材。截割部三维模型如图2所示。（a）整体模型（b）内部传动机构模型图2截割部三维模型6关键零部件材料的选择与工艺（1）齿轮为了提高齿轮的强度，增强承载能力，提高采煤机工作可靠度，齿轮材料采用优质碳素合金钢18Cr2Ni4WA。这种采煤机常用材料具有高强度、高韧性，并且淬透性良好。齿坯锻造后正火处理，以细化晶粒、消除锻造应力，再高温回火后渗碳，再高温回火，提高渗层的强度和韧性；回火后油冷，使表面渗层转为马氏体，然后立即进行冰冷处理，提高齿面硬度;最后低温回火消除内应力。磨齿后强化喷丸，可消除齿面烧伤,并提高齿轮接触和弯曲疲劳强度。（2）铰接销轴采煤机工作面环境比较恶劣，工作载荷大，要求各个部件承载能力高。采煤机截割部是重要的工作装置，截割部与其他采煤机组成部件之间的铰接销轴需要承受反复、较大冲击重载荷，在截割部回转过程中，铰接销轴还需要有较高的耐磨性能。本截割部所用铰接销轴材料采用优质合金钢30CrMnTi，其具有耐磨性能好、静强度高的特点。铰接销轴工件经过表面渗碳淬火处理，硬化层淬火硬度5862 HRC，芯部硬度3036 HRC，成形后的铰接销轴载荷强度较高、耐磨性能良好。7结语本文设计的采煤机截割部结构紧凑，安装方便，各个零部件可靠性高，采煤工作运行稳定，能很好地满足采高2.04.2 m工作面的采煤需求。参考文献：1刘春生.滚筒式采煤机理论设计基础M.徐州：中国矿业大学出版社，20032成大先.机械设计手册M.5版.北京：化学工业出版社，20103雷丙涛.薄煤层采煤机牵引部设计J.煤矿机械，2022,43(3):18-19作者简介：雷丙涛（1983-），陕西渭南人，工程师，从事采煤机械研发设计工作，电子信箱：.责任编辑：张欣收稿日期：20220909截割电机112