薄煤层采煤机摇臂设计（共8篇）
薄煤层采煤机摇臂设计 篇1
摘要：在煤矿的开采过程中, 使用技术先进的设备能够有效提高工作效率, 对于薄煤层的开采来说更是如此。本文针对薄煤层电牵引采煤机的设计进行论述, 首先介绍了设计的必要性, 然后分部分介绍了该设计的主要内容, 对其关键技术做了重点强调。
关键词：薄煤层,电牵引采煤机,技术研究
引言
在煤矿的开采过程中, 由于薄煤层的开采速度十分缓慢, 影响中厚煤层的开采进度, 人们常常选择放弃对薄煤层资源的有效利用。当下随着资源的急剧减少, 薄煤层又再次成为人们关注的话题。如何提高薄煤层采煤的工作效率是当下急需解决的问题, 薄煤层电牵引采煤机技术的合理运用为这一问题提供了解决途径, 该技术始于20世纪70年代, 之后随着科技技术的飞速发展, 新型电牵引采煤机的控制能力更强。
1 薄煤层电牵引采煤机设计的必要性
对薄煤层电牵引采煤机进行设计的必要性体现在: (1) 我国的薄煤层资源储量丰富但浪费现象严重。当下, 已经发现的薄煤层储量大约有60多亿吨, 在四川、山东、黑龙江等地的煤储量中比重较大。但在矿区的投产过程中, 人们总是优先开采中厚煤层而将薄煤层丢弃, 这就造成了巨大的浪费, 矿井得不到最大程度的利用, 整个煤炭工业的协调发展也受到了破坏, 此现象也得到了国家的高度重视, 在相应的发展方向中提出要加大对开采装备的研制力度; (2) 煤矿工作环境恶劣。在薄煤层的开采过程中, 机械设备移动困难, 设备在使用过程中受地质构造的影响很大, 在经济效益方面不如中厚煤层, 这些因素造成薄煤层机械化程度低下, 技术发展也十分缓慢。要想提高薄煤层的生产效率, 使用高性能的生产设备是关键; (3) 电牵引采煤机技术有了较大发展。相比于液压牵引采煤机, 电牵引采煤机更具优越性, 各国也在纷纷开发和采用这一设备, 尤其是上世纪90年代以来, 电牵引以压倒式阵容取代了液压牵引[1]。
2 薄煤层电牵引采煤机设计的主要内容
从采煤机的薄型设计、滚筒装煤设计以及牵引电机的设计三个方面展开论述。
2.1 采煤机的薄型设计
薄型电牵引采煤机采用的是电控箱用液压拉杆, 以此来连接主机的左右牵引部, 同时, 牵引电机与截割电机之间采用的是横向布置, 这样设置可以有效减少在电机纵向布置情况下对力传递方向结构的改变。配套使用工作面输送机, 机面高度设置为848毫米。在具体设计上, 要保证液压拉杆的连接牢固可靠, 以实现生产过程中两工作面的准确无误;当牵引电机或是截割电机出现故障, 可以从侧面将其取出, 及时更换新设备, 大大缩短了故障处理的时间[2]。
2.2 滚筒装煤设计
在对薄煤层进行开采时, 一个重要环节是采煤机的简装煤问题, 通常采用的是小直径滚筒, 以此来降低采煤的高度, 而与小直径滚筒配套的行星头对强度的要求较高, 不能使用直径太小的行星头, 如此一来, 与直径较大的滚筒直径相比, 装煤用的螺旋叶片高度较低, 再加上输送机的高度, 螺旋叶片在高度上与输送机的上帮持平, 给装煤造成更大困难。如果采用人工撩煤的方法进行薄煤的开采会大大降低工作效率, 因此, 需要采用其他高效率的方法。在实际操作中可以采用弯摇臂结构, 以此增加煤空间, 叶片对煤的包容面积也相应增大;保证螺旋叶片迎煤面的光滑, 以此减少叶片与煤之间的摩擦力;适当调整尾翼板的角度可以大大提高滚筒撩煤的效率。
2.3 牵引电机的设计
进行薄煤层采煤时使用的电机机身薄, 加上牵引电机的横向布置, 受空间的限制, 其外径较小, 为了满足调速要求, 一般采用电磁滑差电机, 其一侧是原动机带动在水套中的励磁电枢结构, 另一侧是旋转扭矩结构, 这样既能满足高速旋转的要求, 也能够输出可变的旋转扭矩。为了保证励磁电枢在水套中的高速运行, 良好的密封是前提, 而在实际运行中, 常常由于密封性不好造成牵引电机的损坏, 比如:原动机的绕组受潮后造成绝缘降低, 励磁线圈过滤造成磁力减小等, 所以需要进行合理的牵引电机设计来保证密封的可靠性[3]。
3 薄煤层电牵引采煤机的技术关键
3.1 电气调速系统
采煤机的电气调速系统有多种调速方式, 比如:低压直流调速、开关磁阻调速、交流变频调速以及高压电磁滑差调速等。前两种由于可靠性无法得到应有的保障, 在实际中没有得到广泛应用, 交流变频调速具有较高的稳定性, 实际中使用较多, 其主要的不足在于变压器的体积较大, 给薄煤层采煤机的设计带来限制。当下, 中压交流变频调速技术在不断发展, 它不需要安装变压器, 大大减小了体积, 更适宜应用于薄煤层采煤机。[4]
3.2 薄煤层开采技巧
采用大倾角采煤机进行薄煤层的开采时, 比较理想的调速方式有两种:滑差电磁调速和采用四象限交流变频器调速。其中, 后者在采煤机中的应用较为广泛, 具有比较稳定的性能。如果采用非机载的低压变频调速方法, 一旦专用牵引电缆发生故障, 在进行下坡运行时极易造成跑车事故, 因此, 随着变频技术的不断发展和成熟, 四象限交流变频器调速得到了很好的重视, 它也将会成为大倾角薄煤层采煤机调速最好的方法。
3.3 薄煤层专用运输机及液压支架
目前, 从设计方便的角度出发, 在很多薄煤层采煤机中, 行走机构中的参数都采用的是中厚煤层采煤机的参数, 虽然这样能够保证电机的正常运行, 但是也会造成一些问题, 比如:会造成过大的强度余量, 采煤机的机面高度过高, 降低了采煤机的实用性。在设计输送机和液压支架时, 依据的是销排尺寸, 要不断减小采煤机行走机构的各项参数, 同时, 也要不断开发大功率及低槽帮工作面的运输机, 另外, 液压支架的研究也势在必行。
4 结束语
本文针对薄煤层电牵引采煤机的设计进行论述, 首先介绍了设计的必要性, 然后分部分介绍了该设计的主要内容, 对其关键技术做了重点强调。我国的薄煤层采煤机与国外机器相比, 在原材料、轴承、电气元件以及电机等方面还存在较大差距, 需要人们加大研发力度, 在设计、应用、分析和改进上不断探索, 共同设计出符合薄煤层生产条件的机器, 提高薄煤层开采的效率。
参考文献
[1]乔红兵, 吴淼, 我国薄煤层采煤机的发展与前景[J].中国煤炭, 2005, 10 (31) .[1]乔红兵, 吴淼, 我国薄煤层采煤机的发展与前景[J].中国煤炭, 2005, 10 (31) .
[2]尹力, 梁坚毅, 朱真才, 等.采煤机螺旋式滚筒截割载荷仿真分析[J].煤炭技术, 2010 (11) :3-4.[2]尹力, 梁坚毅, 朱真才, 等.采煤机螺旋式滚筒截割载荷仿真分析[J].煤炭技术, 2010 (11) :3-4.
[3]杨立军.薄煤层采煤机选择条件及实践[J].煤炭技术, 2009 (8) :15-16.[3]杨立军.薄煤层采煤机选择条件及实践[J].煤炭技术, 2009 (8) :15-16.
[4]刘温暖.电牵引采煤机牵引特性及调速系统浅析[J].通用机械.2009 (01) :16-18.[4]刘温暖.电牵引采煤机牵引特性及调速系统浅析[J].通用机械.2009 (01) :16-18.
薄煤层采煤机摇臂设计 篇2
关键词：易维护；全直齿；摇臂；7米大采高
1 引言：7米大采高工作面作业环境恶劣，对采煤机可靠性要求较为苛刻。进口采煤机摇臂内部结构复杂，行星头容易损坏，维护困难且不易更换。为了提高采煤机摇臂的可靠性，神华集团与中传重型装备有限公司联合研发了易维护全直齿摇臂，不仅制造简单，而且减少了齿轮传动时的轴向力，增强了传动机构的可靠性，同时提高了摇臂的使用效率以及降低检修维护工的劳动强度，属世界煤炭技术装备的首创。
该摇臂采用五级全直齿传动，结构简单，运行稳定，且在使用过程中只需要进行对润滑油的定期更换、取样化验等基础性维护，预期实现齿轮、轴承和密封的免维护。
2 易维护直齿摇臂的意义
神东公司7米大采高综采工作面之前使用的进口采煤机摇臂内部结构复杂，使用过程中行星头齿轮易损坏，甚至内部其它传动齿轮因此而全部打碎，维修时不得不将齿轮全部更换，加之齿轮更换困难，造成维护成本明显增高。与之前的进口摇臂相比，该台大采高易维护全直齿摇臂全部采用直齿传动，其结构简单易维护，运行过程中只需要进行齿轮油的定期更换、取样化验等基础性维护，预期实现齿轮、轴承，密封的免维护。同时，该摇臂首次采用五级全直齿传动，降低了轴向力影响，提高了传动机构的可靠性。该摇臂的设计理念是7米大采高双滚筒采煤机摇臂技术创新的典范。
3 易维护全直齿摇臂的结构
3.1设计方案。采用全直齿传动替代行星传动，解决摇臂维护困难的问题。技术路线：技术调研；制定设计方案；技术方案评审；技术设计；技术设计评审；工艺设计；关键工艺攻关；生产制造；厂内试验；工业性试验；技术改进；组织鉴定。工作面配套可行性研究：结合对现有中厚煤层综采工作面设备配套研究，确定摇臂可行的结构尺寸，解决满足割煤断面配套、采煤机平衡支撑、割端头三角煤、采煤机不存在与其它设备的干涉以及不同地质条件下的摇臂设计。
3.2模拟分析及壳体设计。首先对直齿摇臂进行虚拟样机建模，其中对于关键零部件需进行设计或者结构的改进，通过该过程，最后得到全直齿摇臂的虚拟样机。其次，对于齿轮组件，需进行结构改进设计，并且对于齿轮的啮合，通过ADAMS对其进行刚体动力学分析，得到齒轮的啮合过程动画，并且得到齿轮啮合时齿轮之间的受力随着时间的变化曲线。最后对摇臂进行受力分析，得到摇臂的受力云图，以此完成摇臂的整个受力分析过程，为后面摇臂组件的改进提供理论依据。通过以上可行性分析论证及改进，建立采煤机摇臂机械系统动态仿真模型，发现采煤机摇臂薄弱部位，为采煤机摇臂优化设计提供理论依据，并在设计阶段采取措施低成本地获得最优方案在施工中实施。最终，此摇臂壳体采用焊接和铸造相结合的方式制成，其中容装截割电机部分和输出端采用铸造件，其它部分采用Q550和Q690高强度钢板焊接而成。该摇臂外形尺寸为5040X2600X1700，比进口的艾柯夫摇臂长300mm；重量为23吨，比进口摇臂中5.5吨。
3.3摇臂的轴承和齿轮
3.3.1摇臂的轴承。鉴于原进口摇臂的轴承及齿轮受到冲击载荷或长期运行等工况时，易造成轴承及齿轮损坏，大大降低了摇臂的使用效率，经初步统计类似问题占煤机摇臂故障的95%，且损坏后，维修工作十分困难，维修成本极高。故在保证该摇臂正常使用的前提下，其轴承尺寸比原进口摇臂安装的轴承在不同程度上有所增加（内径、外径、厚度），承受的载荷也大大提高，增加了摇臂的寿命，该摇臂的13个轴承均采用斯凯孚（SKF）进口轴承。以最小轴承为例，原进口摇臂中最小轴承为NJ226EC3M，其尺寸为110X200X38。而此摇臂中最小的轴承为斯凯孚生产的型号为NJ2222ECML的G2，尺寸为110X200X53，比进口摇臂中的轴承在厚度上大15mm。
3.3.2摇臂的齿轮。该摇臂取消行星齿轮传动，采用全直齿传动，同时由原来的7级传动变成现在的5级传动。这样不仅提高了齿轮传动的可靠性，同时也大大增加了摇臂的抗冲击载荷能力。该摇臂中的齿轮是由南京高精传动设备制造集团生产的，齿轮采用18Cr2Ni4WA高强度优质钢制造而成。另外，该摇臂均匀的安装有4个过载剪切销，这样可以满足三倍的过载要求，进一步增强了摇臂的抗冲击载荷能力。
4 存在问题及解决方案建议
该摇臂试用过程中，存在很多问题影响安全生产，存在问题及处理建议如下：1、建议取消强制润滑泵冷却器，恢复内置夹层冷却器。强制润滑泵冷却器比较单薄，接头较多，在摇臂振动大，水压高的现状下适用性差，增加故障率。2、建議放油孔位置该为下方，放油堵头改为磁性的，现堵头内置，无法对腔体进行清洗。3、方头内腔加油孔与放油孔，应改为上下。并加大孔径，油堵设置为内置的，并增设排气阀。4、顶丝孔径太小，顶丝堵头很难拆卸，端盖用顶丝难顶出，建议各个端盖减重，适当增大顶丝孔。5、一轴内孔径小、并有一个小堵盖。若堵盖O型圈密封损坏，端盖比较厚，无法在外部更换，必须放油拆卸端盖更换。建议一轴端盖改为两层，以减轻重量；并将一轴内孔径扩大，让扭矩轴从煤壁侧取出；以上各个齿轮轴可以同样做，达到减重目的。6、内置冷却器为铜制产品，建议改为钢制，并在内部增加支撑点。摇臂内部空间较大，可以填充隔层，减少加油量。7、摇臂铰接孔衬套为钢制的，对销轴磨损比较严重，建议改为铜制的。8、建议注油孔改到摇臂耳座支架侧。9、截割电机护罩显笨重，固定螺丝小，破碎机装上后无法拆卸护罩，固定螺丝经常断裂。建议给护罩瘦身。10、七轴端盖向外突出，煤机割顶煤时摇臂经常与支架顶梁剐蹭。照成端盖边缘变形，无法拆卸。建议七轴端盖改为平式的，不要外突。
结语：采煤机易维护全直齿摇臂首次采用五级直齿减速传动，结构简单，制造成本低，易维护，全部齿轮、轴承、密封可在井下现场更换，消除了进口采煤机摇臂故障多，维修成本高，备件周期长，影响生产时间长的弊端。采煤机直齿摇臂已经在大柳塔煤矿综采工作面成功试用，累计过煤量980万吨，无较大故障，经济效益显著。
薄煤层采煤机摇臂设计 篇3
我国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤矿的高产高效化是煤炭行业发展的必由之路。采煤机作为煤矿生产最为重要的设备之一,其发展程度直接影响着煤矿的产量及效率,决定着煤矿高产高效化的进程。另外,开采技术的提高,包括采煤设备、采煤工艺以及社会整个工业技术水平的提高,也影响着煤矿高产高效化的进程。在我国煤矿中,薄煤层的储量占可采储量比例较大,为保证煤炭工业的可持续性发展, 薄煤层的开采是各矿山企业急需解决的问题。本文重点介绍自行开发的一种薄煤层采煤机电器控制系统。
1薄煤层采煤机电器控制系统的基本组成
本文研究的薄煤层采煤机为完全机载交流低压变频调速、链轮销轨式无链牵引,电源电压为1 140V, 单电缆供电,以计算机操作、控制并能中文显示运行状态、功能动作及故障检测。该机型整机采用桥式布置、 无底托架积木式组合结构,能在不抬高机面高度的前提下增加装机功率。由于采用机载交流变频结构设计,实现了高传动效率的一拖二牵引无级变速。采煤机各种操纵开关、控制按钮、显示装置均在采空侧,既可手动操作,也可离机无线电遥控。主控系统采用模块化结构,便于分散布置,能就近采集信息及执行控制任务。该交流电牵引采煤机电控系统是由3个独立的防爆箱体 组成,型号分别 为KXJ-420/1140、KXBT420/1140BP和KXJ-0.132/24。KXJ-420/1140为采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱(以下简称高压箱)。 KXBT-420/1140BP为采煤机用隔 爆型电控 箱 (以下简称变频箱)。KXJ-0.132/24为采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱(以下简称控制箱)。
采煤机电器 控制系统 采用了可 编程控制 器 (PLC)、变频调速技术,使采煤机控制、操作可靠方便, 行走实现无级调速。整台采煤机的机械动力由两台180kW、1 140V截割电机和两台30kW、380V的牵引电机提供,从而实现采煤机截割电机的控制和保护、 牵引电机的调速控制和保护、隔爆电磁阀和制动电磁阀的控制,并具有中文显示、运行参数及故障信息的记忆等功能。
2薄煤层采煤机电器控制系统的设计重点
2.1采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱(高压箱)
采煤机用隔 爆兼本质 安全型电 控箱KXJ-420/ 1140是MG180/420-BWD型交流电牵引采煤机电控系统的高压部分,将入线主电缆通过前端的喇叭嘴接入,接入后通过主隔离开关,该隔离开关控制整台采煤机的开关机,通过隔离开关后一路接入真空接触器,由两个真空接触器分别控制两台截割电机的启停,另一路通过喇叭嘴接入变频箱。采煤机整机的操作按钮也布置在本电控箱上。采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱布置于采煤机整机的中部靠采空侧位置,便于接线和操作。高压箱结构简图如图1所示。
2.2采煤机用隔爆型电控箱(变频箱)
采煤机用隔爆型电控箱KXBT-420/1140BP是交流电牵引采煤机电控系统的第二部分,布置在采煤机牵引传动箱体的中部,装载着该采煤机的交流变频调速系统,本机采用目前已使用成熟的低压变频调速技术。首先将供电的1 140 V交流电通过变压器变为380V交流电,进入变频器模块,通过喇叭嘴接入牵引电机,最终实现变频调速。变频调速系统由一套滤波组件、一台变压器、一台变频器和两台牵引电机组成, 采用一拖二驱动方式,分别控制左、右牵引电机执行无级调速。变频器采用CAN总线方式控制,当工作面倾角不大于15°时采用一拖二,二象限变频器;当工作面倾角不大于35°时采用一拖二,四象限变频器。变频箱的工作原理是:按钮信号送入PLC可编程控制器进行程序处理,通过接线腔送给变频器,变频器根据给定控制信号进行正转、反转、增速、减速、停止。本电控箱体采用钢板焊接结构,具有隔开的接线腔、隔爆腔。 底板加工有冷却水道,通有流动的冷却水对变压器及变频器进行冷却。变频箱结构简图如图2所示。
2.3采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱(控制箱)
采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱KXJ-0.132/24是MG180/420-BWD型交流电牵引采煤机电控系统 的控制部分,它位于采煤机电控箱体的右侧,主要装载着该采煤机的控制中心、遥控接收模块及显示器,并完成采煤机的低压小功率电器件的分线连接。
主控器采用DC 24V供电,是整个总线控制系统的主机,用来启动和协调各从机模块、显示器、变频器工作,是整个控制系统的核心。
本采煤机采用7英寸超大显示屏,可清晰地显示整机的电流和电压、各电机的温度及工作状态、各电器元件的各种参数等信息,还可显示整机的故障信息,方便维修。控制箱结构简图如图3所示。
3结束语
某国外采煤机摇臂大修工艺方法 篇4
对于国外采煤机大修维护, 地域性差别和技术保密性都是我们修复时首先要克服的问题。采煤机摇臂属于高度紧密配合的齿轮传动机构, 摇臂壳体上轴孔间隙过大, 就会使齿轮传动的中心距间隙过大, 导致齿轮啮合过程中接触面相对较小, 从而加速齿轮磨损。因此修复时必须保证轴孔具有较高的孔间精度以及较高的表面质量。
2 存在的难题
采煤机摇臂结构如图1所示。采煤时, 摇臂中齿轮的多级传动, 不仅为了将电机输出轴的高转速减慢传递到行星头, 还要传递力矩。齿轮传递的力或通过轴承、或直接长时间作用于孔面, 从而导致轴孔长时间工作后出现超差。所以大修时需要对壳体臂身内所有齿轮孔进行修复, 对于如此大面积修复, 焊接变形的控制和焊后去应力以及加工时基准的找正都是本次修复的难题。
3 解决方案-工艺过程方法
3.1 摇臂的清洗测量
首先对壳体进行仔细清理、清洗煤尘油渍等。然后, 由检验人员严格详细测量摇臂各个部位。通过测量, 不仅要确定尺寸超差的部位, 还要求对图纸资料缺少尺寸的地方进行测绘, 弥补资料过少的不足, 为以后的精确加工、完整修复做充分准备。
3.2 补焊前准备
(1) 焊接工艺块, 便于加工找正。
在焊接前, 由于摇臂本身形状的特殊性, 不易放平。在摇臂两侧面焊接工艺标准块, 焊接位置如图2所示。这样不仅保证在加工过程中便于快速装卡, 还可以以此作基准, 解决因原轴孔大面积焊接而导致的基准消失问题。
(2) 扩大需修复的孔面, 保证焊接质量。
摇臂内部为密封油池润滑系统, 壳体长期在油池中浸泡, 使得壳体内部已经渗入润滑油。为了在焊接过程中减少或避免焊接未熔合及焊接气孔等缺陷, 补焊前, 要求采用机加工车削的方法将待修复的各轴孔、定位销孔去除表面应力层0.30~0.50mm。
(3) 制作简易销堵工装, 防止焊接引起变形。
鉴于行星头大面一周分布有螺纹孔和定位销孔, 为了防止焊接过程中行星头处螺栓孔变形, 要求在焊接前, 设计工艺堵、螺栓等辅助工装, 焊前将工艺堵、螺栓等装配好, 保护措施见图3。
3.3 确定选用的焊材
在不了解摇臂牌号的情况下, 通过取样和精密仪器的化验分析, 摇臂壳体的成分如表1所示。
根据摇臂化学成分和硬度测试 (163~190HB) , 综合分析摇臂的使用工况, 选择与母材成分相匹配的ER49-1焊丝进行焊接修复 (该焊丝成分如表2) , 该焊丝抗拉强度≥490MPa, 延伸率≥20%, 硬度240~280HV。
3.4 确定工艺参数
焊接过程中, 为了保证一定的焊接熔深同时兼顾减小焊接热输入的原则, 补焊采用熔化极气体保护焊焊接方式, 保护气为80%Ar+20%CO2混合气体, 焊接电流为200~230A, 焊接电压为24~28V, 气体流量控制在Q=18~25L/min, 本工艺参数的制定, 是在保证焊接质量的前提下, 以最大程度地降低焊接过程中对摇臂壳体所产生的应力和减小变形为目的。
3.5 焊接工艺过程要求
焊前用烤枪对待焊部位进行充分预热烘烤, 直至不再出油为止, 且油污烤干、用棉纱等清理净后, 才允许进行焊接。焊接时要求孔的各个位置均在水平位置进行堆焊焊接, 杜绝立焊、横焊等焊接位置的出现, 最大程度地保证焊接质量。对于较大的孔要求沿圆周方向进行焊接, 下一道焊接要求与上一道有50%的搭接量;对于小孔可以考虑顺长焊接, 同样要求有50%的搭接量;下一次焊接前要求对前一次收弧处进行仔细清理, 包括道与道之间及层与层之间均要求清理, 清理方法可采用钢丝刷打磨等。各个孔的止口处要求堆焊一周, 防止在加工过程中会出现咬边现象。在焊接过程中, 为了尽量减小热量集中, 可采取交叉、换位、间歇焊接。此外经过对该工件金属成分的分析, 确认摇臂壳体为低合金高强结构钢 (碳当量为0.49%) , 在焊接后具有一定的淬硬倾向, 因此需要焊后用石棉覆盖缓冷, 防止产生裂纹。
3.6 焊后去应力
为了保证非修复面不变形、不氧化, 焊后不能采用热时效方法。所以必须严格要求焊工每焊完一层后用小锤敲击焊缝去应力。最后, 采用振动时效机在振动加速度不小于28m/s2情况下进行振动时效30min处理。
3.7 壳体的加工
壳体的加工是将补焊的孔修复至图纸要求的尺寸。利用之前加工好的焊接基准块找正工件, 再进一步校核行星头部端面, 以此来保证未补焊部位与重新加工部位的位置度要求, 保证加工过程中能够顺利镗至尺寸, 避免加工过程中因找正偏差导致的黑皮现象。找正工件后利用行星头部准750外圆中心作为X0, Y0, 以此进行编程走刀, 对壳体半精加工和精确加工, 保证了轴孔的尺寸公差及形位公差。
4 结语
采煤机摇臂壳体应力和变形指标 篇5
关键词：采煤机摇臂壳体,应力,变形指标
1 概述
摇臂是采煤机的重要部件, 由于采煤机摇臂壳体的工作载荷不定, 不是静载荷, 工作存在随机性, 所以难以模拟真实情况下的工作状态。
因此, 采用类比法, 试图通过对摇臂壳体建立标准加载和约束条件, 给出摇臂壳体的应力和变形的标准, 以对新研发产品提供结构设计依据。
通过对几个摇臂壳体在所设定的最大载荷下的加载计算, 总结出这些部位应力值的范围, 计算出特定轴承安装孔的变形量的大小, 以此来涵盖摇臂设计中的结构应力范围和变形范围。
2进行载荷计算的方法及所取的系数
3 强度和刚度计算中加载和约束方法
参照图1, 认为摇臂壳体承受的推进阻力和截割阻力作用点, 在与滚筒同心的轴线上, 横向位置在滚筒长度方向的中点。轴向力作用点的纵向位置在滚筒轴心前方, 距离为滚筒半径的0.785倍, 横向位置在滚筒长度方向的中点。约束1:上销轴耳片和下销轴耳片可以绕各自的轴线旋转, 轴线不能平动, 但可以沿轴线方向移动。约束2:摇臂销轴耳片的侧面台阶固定, 限制摇臂的横向位移。摇臂的载荷作用方式:假设摇臂壳体的载荷为集中力通过滚筒、行星轮减速机构等作用到摇臂壳体相关连接面上, 由于本计算不考虑行星轮减速机构的强度, 因此, 在计算出的载荷作用点位置建立空间载荷节点, 用ANSYS软件的多点约束单元 (MPC184) 连接载荷点和作用面上的各节点, 这种单元相当于刚性的连接梁, 在载荷节点上施加载荷, 这样载荷就理想地传递到作用面上, 从而完成在结构上的加载。由于有的模型过于复杂, 以致单个模型在ANSYS中无法计算, 因此采用了先将模型分为两个或三个部分, 分别进行网格剖分, 剖分后再在ANSYS中使用节点重合方法进行连接的计算策略, 以满足计算硬件的限制。由于在载荷计算中, 各机型摇臂的质量数据不全, 而且质量分布情况也很难估计, 考虑到在本次计算所假定的载荷组合作用下, 重力的作用是减少载荷扭矩, 忽略重力会减少结构受力, 因此在本次计算中不考虑重力的作用。这会带来计算结果的应力和变形均较实际值增大。
4 应用计算结果进行新研机型强度、刚度指标评定工作的建议
要使用计算的结果用于新产品研发过程的指导, 应组合使用相应机型的《摇臂壳体强度、刚度分析报告》、《摇臂壳体约束及载荷示意图》以及轴承安装孔轴心位移计算MATLAB程序等, 以获得详细的已完成的计算机型的计算结果, 必要时, 还应对数个机型的计算结果进行比对贺分析。应用计算结果进行应力和变形指标评定的基本分析计算流程:
4.1根据“进行载荷计算的方法及所取的系数”中的公式和系数计算结构承受的计算载荷。
4.2建立需要计算的机型摇臂壳体的PROE模型, 在模型建立过程中, 应对其进行适当的简化, 比如, 对于不影响结构承载能力的外缘倒圆, 倒角进行简化处理, 目的是减少计算规模, 减少计算时间。
4.3将PROE模型导入ANSYS中, 对模型进行进一步的处理, 使之适于网格划分。在网格划分遇到困难时, 可以采用分别剖分后再合并模型的方法进行, 只要保证划分区域不经过计算关心区域即可。
4.4划分网格, 网格一般采用SOLID, 采用自由划分网格方式, 刚性连接梁单元采用MPC184, 按照“4强度和刚度计算中加载和约束方法”中的方法, 并结合具体摇臂壳体的安装连接方式的不同, 对结构加载和约束。
4.5进行计算的设置, 加载计算, 观察计算结果, 并对要计算的轴承安装面部位表面的节点的位移值等进行整理和分析, 必要时可以借助MATLAB等其他软件进行计算和分析、绘图。
4.6对新机型摇臂壳体的应力和变形进行校核, 考虑到数值计算的精度, 可取±10%的范围, 比该范围数值小的, 可以认为其强度、刚度偏于保守, 比该范围数值大的, 可以认为其强度和刚度需要加强。
5 结论
由于采煤机摇臂壳体的载荷计算经验积累较少, 而摇臂壳体载荷的计算公式的系数选取的范围又过大, 前述计算的准确性有待实践检验。强度计算结果可以直观地通过观察壳体的工作过程和工作后的状态定性地判断, 而轴承安装孔轴线位移数值是不直观和不易测量的, 如果能很好地运用将对提高摇臂壳体及其中传动系的工作性能具有重要意义。随着计算经验的积累, 其准确性会不断提高, 并对实际新产品设计过程具有更大的指导意义。
参考文献
[1]刘春生, 于信伟, 任昌玉.滚筒式采煤机工作机构[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.2010.
[2]李贵轩, 李晓豁著.采煤机机械设计[M].沈阳:辽宁大学出版社, 1994.
[3]王咏梅, 李春茂, 张瑞萍编著.Pro/E Wildfire5.0[M].北京:清华大学出版社.2011.
采煤机摇臂齿轮箱的故障特征分析 篇6
1 摇臂齿轮箱故障统计及原因分析
1.1 齿轮箱故障统计
根据历年的采煤机维修记录可知, 采煤机摇臂齿轮箱的主要故障区[2]有三处:高速区一级减速直齿轮及轴承、低速区两级行星轮系、浮动油封。在采煤机摇臂齿轮箱中, 高速区的故障, 比如高速齿轮及轴承等, 其故障的发生率最高, 占摇臂齿轮箱的42%;低速故障区, 比如二级行星轮系、大圆锥轴承等, 其故障的发生率占总体的30%, 其中, 二级行星齿轮折断故障如图1所示;浮动密封故障的发生率也较高, 其主要原因为齿轮箱的密封性能不够或者元器件老化, 导致齿轮箱漏油以及煤尘等物质进入齿轮箱, 引发行星轮系及轴承的二次事故, 该故障是目前国内外采煤机摇臂齿轮箱在设计与制造时的一个重大难题, 难以解决, 因此, 故障率一直保持较高的状态。
目前, 我国对于采煤机摇臂齿轮箱的检测通常采用油液铁谱分析技术与振动检测技术[3]。其中, 油液铁谱分析技术通过对齿轮箱润滑油液磨损颗粒的大小、形态、面积、特征等参数进行定性或定量的分析摇臂齿轮箱工作状态的现状及发展趋势, 检测成本较低。但是该方法受限于工人技术水平和摇臂齿轮箱的复杂性, 过程中耗时耗力, 并且无法实时判断齿轮箱内部结构是否满足使用要求, 因此, 该方法的应用受到了一定的限制。振动检测技术是一种新型的故障诊断技术, 属于无损检测方法, 对工人的专业技术要求较低, 能够及时诊断出齿轮箱中常见的各种故障, 并在一定程度上提升设备管理的竞争力水平, 具有广阔的应用和发展空间。
1.2 齿轮箱故障分析
齿轮传动机构通常处于高速重载的工作状态, 在正常工作过程中, 由于齿轮啮合运动产生的摩擦热以及轴承转动产生的摩擦热, 齿轮传动系统温度会变得很高;同时由于润滑油的冷却作用, 其温度会保持平衡状态。齿轮传动机构在工作过程中工作环境和工作参数不可能保持一成不变, 这些变化会对齿轮的温度产生明显的影响, 造成润滑油膜的破裂, 使齿面磨损加剧, 引起胶合;过高的温度还会使齿轮、轴承和轴产生热变形, 造成齿轮传动机构承载能力和工作稳定性的下降。
在摇臂齿轮箱的高速区, 传动副处于高速状态, 由于恶劣工况的使用要求以及齿轮箱内部润滑条件的恶化, 在齿轮传动中致使啮合齿面间的油膜破裂, 齿轮齿面在一定的压力作用下直接接触, 其故障主要表现为齿轮齿面的磨损、点蚀、胶合和擦伤等, 严重时会导致齿面接触部位“焊合”后又继续相对运动, 使得金属从齿面上撕落, 或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤。高速区故障容易引起齿轮副的强烈振动及异常噪声, 进而产生过热引发轴承故障, 若不能被及时检测, 往往需要更换齿轮以及相关的所有轴承, 甚至出现安全事故。
低速区的齿轮副在工作中往往处于重载条件, 其故障主要为两级行星轮系故障, 特别是二级行星轮断齿、内齿圈断齿故障以及摇臂齿轮箱大轴承故障。该部位的齿轮系由于受到巨大的冲击或者长期过载, 容易导致行星轮的内齿圈疲劳点蚀、裂纹, 甚至引起断齿, 同样地, 该工作条件下轴承故障主要表现为磨损、剥落等。对于浮动密封故障引起的直接表现为漏油, 但是其间接影响可导致齿面间接触点局部温度升高, 油膜及其它表面膜破裂, 表层金属熔合而后又撕裂形成热胶合损伤, 形成传动副之间严重的振动和噪声。
1.3 齿轮箱结构分析
对于JOY采煤机, 其截割部采用铰接式摇臂结构, 截割电动机采用横向布置[4]。整个截割部采用连接板通过销轴铰接的方式与采煤机机架联接, 截割部滚筒的位置可通过液压调高油缸进行调整, 能够适应综采工作面的煤层高度变化及生产需要。摇臂齿轮箱的爆炸结构图如图2所示, 图中可以看出, 齿轮箱传动系统是由两级直齿圆柱齿轮和两级行星齿轮部分组成, 输出端浮动密封用来防止摇臂齿轮箱漏油以及滚筒喷雾水及煤、粉尘进入齿轮箱。
摇臂齿轮箱中共有14个齿轮参与减速传动, 为四级减速, 其中, 第二级减速包括6个圆柱直齿齿轮, 二级行星轮系与一级基本结构一致, 太阳轮同时与行星架上3个行星轮相啮合, 当3个行星轮载荷分布不均匀时, 可以自动地调节3个行星轮, 使其共同分担载荷。行星轮的自由调节得益于太阳轮的支承为浮动状态。
2 摇臂齿轮箱故障分析
2.1 齿轮故障分析机理
文中对于摇臂齿轮箱的故障检测基于振动检测技术, 因此, 将齿轮箱传动系统可以看作是一个非常复杂的非线性机械振动系统。齿轮箱传动系统主要包括齿轮副、轴、轴承、箱体以及与齿轮传动相关的联轴器、原动机和负载等, 在理论上要建立起数学模型是非常困难的。本文针对齿轮及齿轮箱故障的关键因素, 将齿轮传动副进行简化分析, 建立齿轮啮合振动示意图如图3所示。
根据机械振动学理论可知, 齿轮副作为激振系统, 其动力学方程可以表示为:
式中, x为沿啮合线上齿轮相对位移, M为当量质量, C为齿轮副啮合阻尼, k (t) 为啮合刚度, F (t) 为外界激励。其中, 外界冲击激励F (t) 主要指齿轮啮合振动及齿轮箱因故障缺陷产生的激励冲击, 其变化受齿轮啮合刚度、齿面摩擦力方向和传动误差变化的综合影响。在润滑状态良好以及齿面粗糙度较低的情况下, 齿面摩擦力的变化对啮合振动的影响较小, 通常可以忽略不作考虑, 重点考虑齿轮啮合刚度和故障函数, 从而式 (1) 可以表示为:
式中, E1为齿轮受载后的平均静弹性变形, E2为齿轮误差和故障造成的两个轮齿间的相对位移。故障函数k (t) E1表示齿轮正常状态工作时的常规振动, k (t) E2表示齿轮缺陷时引起的异常振动。
2.2 齿轮失效分析
齿轮在工作过程中由于受到齿面间滑动摩擦、滚动摩擦以及齿轮变形引起的摩擦三方面因素的影响, 使齿轮的温度升高, 其中齿面间的滚动摩擦和齿轮变形引起的摩擦所占的比重很小, 可以忽略不计, 因此主要考虑滑动摩, 同时齿轮由于润滑油的冷却作用和环境温度的影响, 使齿轮温度在正常工作过程中基本保持平衡状态。
在摇臂齿轮箱中, 齿轮的失效形式又随着齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而改变[5], 占整个齿轮箱零部件失效的一半以上, 因此, 齿轮失效形式的研究对于齿轮箱的故障诊断有着非常重要的意义。由于齿轮制造时可能存在误差、装配工艺不当或操作维护不到位, 齿轮在运转时会产生多种形式的失效, 包括齿轮齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿等。
齿轮在啮合过程中, 轮齿啮合接触表面出现的材料摩擦损伤的现象称为齿面磨损, 根据磨损性质的不同可以分为磨料磨损和腐蚀磨损两大类, 在齿轮啮合过程中, 若润滑油供应不足、油质变异或者外来的金属或非金属小颗粒出现在齿轮啮合表面, 将直接导致齿面发生强烈的磨粒磨损;磨粒磨损的进一步发展会使齿轮齿形改变, 侧隙加大, 引起振动噪声增大, 齿厚减薄, 腐蚀磨损以化学腐蚀作用为主要特征, 并伴有机械磨损的一种损伤形式, 润滑油中的活性成分 (酸、水分等) 和齿轮材料发生化学反应, 造成齿轮腐蚀磨损。严重的齿面磨损会导致轮齿粗糙度和啮合偏差增大, 引起传动副之间较大的振动与噪声, 并降低齿轮的动力传动效率, 甚至因齿厚变薄导致齿轮强度下降, 造成齿断。
齿轮在啮合传动过程中, 其根部受到脉动循环应力作用, 当这种周期性的应力过高, 或其它原因使齿轮强度降低, 会在根部产生裂纹, 并逐步扩展, 或是在齿轮啮合过程中受到严重冲击过载时, 也会引起齿根裂纹, 当其它部分无法承担外载荷时, 齿轮将发生严重故障断齿齿轮在啮合传动过程中, 轮齿相当于悬臂梁, 其根部受到交变应力作用最大, 当周期性的交变应力超过齿轮材料本身的疲劳极限时, 轮齿的根部会产生裂纹, 直接影响着齿轮的承载能力和齿轮的使用寿命。摇臂齿轮箱在故障检测时, 首先需要针对齿轮的工作条件, 进行强度的校核与计算, 文中对于齿轮的强度校核条件, 以计算接触应力为标准, 其应当小于许用接触应力, 可表示为:
式中, σH为计算接触应力, σHP为许用接触应力, 其中, 计算接触应力σH可表示为:
式中, Ft为中点分度圆上的切向力, KA为使用系数, KV为动载系数。
3 摇臂齿轮箱振动信号频谱诊断
3.1 齿轮振动信号调制
在采煤机摇臂齿轮箱中, 啮合的齿轮副往往以单、双齿啮合交替的形式变化, 导致在齿轮副中形成周期性的激振力, 导致传动副的振动, 文中所采用的振动信号诊断方法正是基于该特征, 可根据不同的振动信号调制预测和诊断出不同的故障模式。其中, 啮合频率及谐频成分可表示为:
式中, m为谐波数, Am为谐波幅值, fZ为啮合频率, 准m为谐波相位, N为啮合频率的最大谐波数。当齿轮或齿轮箱轴承、轴等部件出现故障时, 将会对应着出现不同的冲击特性, 进而出现不同程度的振动信号调制现象, 比如, 低频信号特征量控制高频信号相应特征量。在齿轮的振动信号调制中, 常见到在啮合频率或其谐波频率两存在一些间距的复杂频率成分, 这些频率成分称作边频带, 其反映了振动信号的调制特征。边频的增多在某种程度上揭示了齿轮箱故障的发生, 边频的距离反映故障的来源, 其幅值反映了故障的严重程度。因此, 对齿轮振动信号中出现的调制现象进行分析, 有效地区分不同的调制型故障的振动特征, 对边频带特征的识别程度, 在很大程度上就决定了齿轮故障诊断的成败。
3.2 齿面磨损诊断
当出现齿面的均匀磨损故障时, 由于无冲击振动信号产生, 所以不会出现明显的调制现象。但是当磨损发展到一定程度时, 啮合频率及其谐波幅值明显增大, 而且阶数越高, 谐波增大的幅度越大, 同时振动能量的幅度也大大增加。当磨损较为严重时, 二次谐波的幅值会超过啮合频率的幅值。此外, 齿面磨损等均匀分布缺陷相当于调制信号为包络线较宽的脉冲, 它在频域中表现为在啮合频率及其谐波成分两边产生幅值较大、起伏较大、分布较窄的边频, 如图4所示。
3.3 断齿诊断
当出现断齿故障时, 时域表现为幅值很大的冲击型振动, 周期等于有断齿轴的旋转周期。与此同时, 在频域里, 在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带;边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽, 谱线较为明显。解调谱中常出现转频及其高次谐波, 甚至出现10阶以上。同时由于瞬态冲击能量大, 时常激励起固有频率, 产生固有频率调制现象。
振动信号检测时, 断齿的主要特征为:以齿轮啮合频率及其高次谐波为载波频率, 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制, 调制边频带宽而高, 解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波, 以齿轮各阶固有频率为载波频率, 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制, 调制边频带宽而高, 解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波, 如图5所示。
3.4箱体共振
当齿轮、轴承或轴出现故障时, 齿轮箱振动信号呈现出不同程度的调制现象, 表现在频谱图上出现形式各异的调制边频带, 根据齿轮箱故障形式及故障程度的不同, 总体共振的特征有:以齿轮啮合频率及其高次谐振波为载波频率, 齿轮轴旋转频率为调制频率的齿轮啮合调制现象而产生的边频带;以齿轮固有频率为载波频率, 以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的固有频率共振调制现象而产生的边频带;以齿轮箱体固有频率为载波频率, 以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的箱体共振调制现象而产生的边频带。
4 结语
摇臂齿轮箱在采煤机中属于易损坏部件, 对其进行及时的检测与维修对于保证高效综采生产重要前提条件, 齿轮制造时可能存在误差、装配工艺不当或操作维护不到位, 齿轮在运转时会产生多种形式的失效, 包括齿轮齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿等。文中对摇臂齿轮箱的结构进行了研究, 基于振动检测技术并通过信号的频谱诊断对齿轮箱中常见的各种故障诊断进行了分析, 包括齿面磨损、轮齿断裂以及箱体共振等故障。由于啮合频率或其谐波频率两存在一些间距的复杂变频, 其反映了振动信号的调制特征, 并在一定程度上表现了齿轮箱故障的发生来源, 其幅值反映了故障的严重程度, 该研究方法与方向具有广阔的应用和发展空间。
参考文献
[1]高晓清, 姚竹亭.基于BP神经网络的齿轮箱故障诊断[J].机械工程与自动化, 2008, 6:25-26.
[2]李晓虎, 贾民平, 许飞云.频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断, 2003, 9:32-35.
[3]周晓红.解决采煤机浮动油封的漏油问题[J].煤矿机械, 2008, 12:56-57.
[4]韩捷, 张琳娜.齿轮故障的振动机理研究[J].机械传动, 1997, 2:29-32.
薄煤层采煤机摇臂设计 篇7
1 采煤机摇臂的故障现象
采煤机摇臂担负着割煤、装煤的任务, 由电动机输出轴带动摇臂一轴、二轴、三个惰轮、两行行星减速从而带动滚筒旋转。常见故障有以下几种: (1) 摇臂漏油; (2) 摇臂轴承损坏; (3) 摇臂齿轮损坏。
1.1 采煤机摇臂漏油的原因及处理办法
1.1.1 采煤机摇臂漏油的原因
采煤机摇臂一轴漏油是由于一轴上的骨架油封 (95mm×120mm×30 mm) 磨损造成漏油, 或者是更换骨架油封时装卸工艺不对, 造成密封损坏而漏油。另外, 油封的质量不高也是漏油的一个不可忽视的原因。采煤机摇臂滚筒锥形套浮动密封漏油, 是由于长期磨损而使浮动密封失去密封性能而漏油。
1.1.2 处理方法
更换高质量合格的骨架油封和浮动密封, 按照正确的装配工艺进行安装, 就能保证采煤机摇臂不漏油。
1.2 采煤机摇臂齿轮的损坏原因及处理办法
1.2.1 采煤机摇臂齿轮的损坏原因
采煤机摇臂齿轮的损坏是由于采煤机司机责任心不强, 工程质量差, 工作面支架调斜严重, 煤机发生割前梁、护帮板和铲煤板现象时有发生, 是造成齿轮损坏的一个主要原因;另外, 在检修或加油时由于工作不慎把煤尘或脏物带入齿轮箱内, 也是造成齿轮加快磨损甚至损坏的原因。齿轮的材料强度不够或淬火不够, 长期超负荷运转或者频繁启动也会使齿轮产生塑性变形, 齿轮的齿牙变细变尖, 产生毛刺甚至会全部磨落。
1.2.2 处理方法
加强采煤机司机的责任心, 禁止误操作而使采煤机摇臂受到意外的冲击, 搞好工程质量, 按照操作规程进行推溜移架;减少意外事故的发生。一旦出现摇臂齿轮损坏就必须采取果断措施更换摇臂。
1.3 采煤机摇臂轴承损坏原因及处理办法
1.3.1 采煤机摇臂轴承损坏原因
采煤机摇臂齿轮箱最易损坏的就是一轴轴承, 由于它高速旋转再加上润滑不好很容易造成损坏, 另外油质中含有金属磨粒超过规定从而使轴承加速磨损。油量过少或过多都会造成摇臂齿轮箱温度升高, 冷却水压力不足等都是造成轴承损坏的原因。
1.3.2 处理方法
保证摇臂齿轮箱有足够润滑油, 保证水冷却压力足够, 随时观察润滑油的颜色和质量, 注意油温, 发现异常现象及时找出原因进行现场处理。
2 预防和减少采煤机摇臂故障的措施
2.1 采煤机摇臂故障诊断技术的应用
深入研究并开展采煤机摇臂故障诊断技术, 具有非常重大的意义。无论是检修人员还是现场操作人员, 在掌握丰富理论知识的基础上, 还要开展好故障诊断技术。故障诊断技术是采用现代化技术手段及方法掌握采煤机摇臂当前运行状态, 对其异常或故障的潜在因素和发展趋势进行预测的技术。
2.2 采煤机摇臂故障诊断技术具体内容和方法
采用先进的故障诊断方法, 及时准确地确定鼓掌位置、故障原因。主要诊断方法有以下几种:
(1) 机械振动噪音法检测故障;
(2) 油质、油液观察分析法;
(3) 油温、油位监测等方法。
通过开展故障诊断可以防患于未然, 减少了维护和检修量, 避免了由于采煤机摇臂故障而被迫停产现象的发生。提高了生产效率, 降低了生产成本, 其潜在的经济效益和社会效益非常可观。
3 实行预防措施前后对比
采煤机摇臂的故障在没有采取预防措施之前, 事故率非常高, 经常换摇臂, 既浪费了时间, 又影响了生产。增加了设备的投入量, 同时还增加了井下工人的劳动强度, 经济效益也非常低。
通过开展故障诊断, 实施预防措施, 进行预测检修维护。表面上看加大了维护工作量, 实际上是把故障消灭在萌芽状态, 发现小问题及时处理, 避免大事故的出现;实质上是减少了检修工作量, 降低了成本投入, 创造了可观的经济效益, 受到领导和职工们的一致好评。
4 结语
采煤机摇臂的故障是可以预防和减少的。只要在生产过程中, 采取积极有效的预防措施, 加强全过程管理, 实行运行监测, 就能使采煤机摇臂的故障逐渐减少, 有效提高矿井的经济效益和安全效益。
参考文献
[1]段牧忻等编.采煤机司机[M].中国矿业大学出版社, 2002
薄煤层采煤机摇臂设计 篇8
我国地域辽阔,煤炭资源储量丰富。随着煤矿开采技术的不断发展和进步,我国每年的煤炭生产总量不断攀升,容易开采的煤层越来越少,尤其是倾角大的工作面越来越多。为适应市场需求,减少采煤机在急倾斜工作面工作时的故障率,从而提高煤矿生产效率,针对太重煤机有限公司生产的MG300/730-WD型电牵引采煤机在煤层倾角30°~50°工作时提出一系列改进措施。
1 急倾斜工作面采煤机摇臂润滑和泵站存在的问题
1.1 摇臂部分轴承及齿轮润滑不够
摇臂负责煤矿生产的装煤及落煤,在使用过程中,尤其是面对大倾角工作面时,摇臂各齿轮轴承会面临工况差、承载力大、发热量多等诸多难题,所以润滑油是否能及时充分地润滑到摇臂各个部件是维持采煤机高效、耐用的关键。遇到大倾角工作面上摆摇臂的行星头的润滑油会逐渐流向摇臂腔体内,而下摆摇臂的摇臂腔体内的润滑油会逐渐流向行星头,这样会导致部分轴承及齿轮长期处于无润滑油工作状态,造成其润滑不够,发热磨损量增大,严重影响轴承及齿轮的使用寿命。
1.2 泵站油箱和液压系统故障
采煤机在遇到急倾斜工作面时,油箱大幅度倾斜,导致吸油、放油均遇到很大问题,具体问题如下:
(1)调高泵吸油时容易造成吸空,虽有单向阀保护,但由于倾角过大,长时间使用仍然会造成液压系统故障。
(2)油箱放油困难,容易造成液压油污染,导致油路中液压阀阀芯的损坏率增大和发生油管管路堵塞。
(3)液压系统采用普通电磁换向阀来控制油缸的调高及制动器的制动,为节省空间,高、低安全阀均在阀组中装配,当遇到急倾斜工作面时,牵引部制动器制动力矩增大,液压系统中刹车电磁阀及减压阀阀芯的承载能力增大,容易造成高、低压管路中液压油串油,直接导致液压管路系统瘫痪。
2 采煤机的改进措施
2.1 摇臂轴承及齿轮润滑问题改进
现如今对于大倾角工作面摇臂部分轴承及齿轮润滑不足造成严重磨损的问题,一般采用分腔润滑的处理方法。具体措施是在摇臂腔体与摇臂行星头处增加一道油封,以防止润滑油在摇臂行星头与腔体内来回游走。
但摇臂在井下工作时,其轴承及齿轮由于摩擦发热量巨大,而润滑油的沸点比较低(一般在130℃左右),当油温升高到沸点时润滑油会以油雾的形式从油封通过,从而导致摇臂润滑油流走的情况发生。
采用强制润滑的方法可以解决这一问题,其原理图如图1所示。强制润滑基本原理是:利用泵站中回油箱的低压液压油通过DV型截止阀7来驱动马达泵4运行,由马达泵提供动力将摇臂腔体内的润滑油吸到左、右摇臂的注油点3,从而保证在倾角大的情况下各轴承及齿轮的润滑。
在采煤机的左、右摇臂各安置一台马达泵的组合件。如图1所示,其中序号7DV截止阀的作用是负责各油路的打开关闭。
DV截止阀与各油路连接图如图2所示,可按如下顺序进行操作:采煤机开机前,用于驱动左、右摇臂马达的油路中的截止阀4、6关闭,回油截止阀1和3打开;开机后,根据井下实际需要打开4或6其中一路的截止阀,同时关闭与之对应的主回油截止阀1或3,防止回油,即可驱动马达泵工作。驱动润滑泵开始工作后,记录高压表和截止阀数值、调高泵的温度,来检测系统是否正常运行。截止阀5与2配合可用于马达泵的检修维护。不使用润滑泵时,将用于驱动马达油路中的DV截止阀4、6关闭,回油截止阀1、3打开。
1-泵站油箱;2-泵站液压系统;3-左、右摇臂注油点和行星头及惰轮;4-左、右摇臂的马达泵;5-磁性管路过滤器;6-左摇臂高速腔齿轮油池;7-DV截止阀;8-马达泄油回路;9-右摇臂高速腔齿轮油池
1-截止阀1;2-截止阀2;3-截止阀3;4-截止阀4;5-截止阀5;6-截止阀6
2.2 泵站液压系统改进
2.2.1 泵站油箱改进
为了避免调高泵吸空的情况发生,对油箱的结构进行改进。由于油箱的安装空间有限,改进时需考虑油箱容积大小是否满足条件,油箱散热是否安全可靠,整机倾角大时泵吸油位置是否合适。经过一系列计算与斟酌,决定将油箱由原先的扁平状改为现在的瘦高状,并且将吸油口和油位计放在油箱的中间。这样在整机倾角比较大时,无论液压油偏向哪一方,调高泵均能较好吸油,为调高油缸提供压力油。
另外,为了更方便快捷地更换液压油,避免井下更换液压油不彻底而造成污染,在油箱的顶部设置两个加油孔,前板底部设置两个放油孔,并且都做成对称的形式。泵站油箱改进前、后对比如图3、图4所示。
2.2.2 液压系统改进
为防止高低压阀之间串油情况的发生,采用将控制油缸的换向阀与控制制动器的刹车电磁阀分开的方式,取消原阀组装配,液压系统原理基本不变。换向阀采用进口哈威PSL片阀代替,集成度高,稳定性好,故障率小,安装于油箱前方,方便操作,控制制动器的刹车电磁阀则单独安装。
3 结语
改进前,摇臂润滑和泵站吸油问题一直是采煤机在急倾斜工作面工作时的难题。此次针对730采煤机的改进,极大地减少了摇臂内部的发热,降低了齿轮与轴承的磨损;泵站各方面使用的稳定性较以前也有很大的提高。用户反映,摇臂轴承及齿轮润滑比以前有了很大的改善,使用寿命明显加长;液压系统的故障率降低,减少了检修时间和生产成本,提高了生产效率。这说明此次针对急倾斜工作面采煤机的改进是合理的,可以推广使用。
摘要：采煤机在急倾斜工作面工作时,摇臂和泵站系统的故障率较高。针对以上问题对摇臂润滑方式和泵站系统进行改进。通过对摇臂采用强制润滑方式减少齿轮和轴承的损坏,通过对油箱结构和液压系统改进减少管路与阀的损坏,大大降低了采煤机的故障率,为用户的生产进度提供了保障。
关键词：急倾斜工作面,摇臂过热,强制润滑,泵站
参考文献
[1]雷天觉.液压工程设计手册[M].北京:机械工业出版社,1990.