大傾角半煤巖采煤機截割系統關鍵技術研究

高 昕

(太重煤機有限公司 技術中心 礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原 030032 )

0 引言

我國是世界上的產煤大國，煤炭市場的發展對世界經濟的發展起著重要的作用，同樣煤炭的發展對我國的經濟發展也起著至關重要的作用[1]。但經過多年的煤炭開采，煤炭賦著條件好、節理發育好的煤層以及水平和近水平的開采工作面日趨減少，煤礦難開采的煤層越來越多，其主要表現為工作面夾矸多、工作面傾角大、工作面俯角大等不利工況條件。為了實現煤炭資源的持續開發利用，太重煤機有限公司研制開發了適應特殊工況的大傾角半煤巖MG450/1050-QWD型電牽引采煤機。隨著煤炭市場的發展需要及煤炭開采工作面的惡化，對采煤機綜合性能要求越來越高，截割部是采煤機重要的組成部分之一，搖臂截割部齒輪傳動系統尤為重要。搖臂行星機構對采煤機整機的可靠性影響很大，當采煤機強行過斷層、采夾矸、在大傾角工作面下完成割煤和裝煤時，搖臂行星機構因截割過程中過硬物料的極大沖擊、振動等因素影響，使得其工況條件變得更加惡劣[2]。為適應有夾矸、煤層條件惡劣的半煤巖煤層地質條件，我們對截割系統進行了針對性設計。

1 大傾角半煤巖截割系統的設計

搖臂截割部電機功率為400 kW，采用直搖臂形式，由大模數直齒減速+行星減速裝置，通過與行星架花鍵連接的滾筒座輸出扭矩。煤巖截割系統的設計是開采半煤巖煤層的關鍵，其關鍵技術表現在行星減速裝置、齒輪修形、截割部齒輪潤滑方式等方面。

2 重型2K-H行星減速裝置

針對半煤巖工作面研制了如圖1、圖2所示的重型2K-H行星減速裝置。2K-H行星減速裝置主要由太陽輪、行星輪、內齒圈、桿系等組成[3]，具有承載能力大、傳動比大、體積小等優點。為使行星減速裝置在傳動過程中嚙合平穩，振動沖擊小，齒輪選用模數為10 mm的漸開線齒廓，為保證半煤巖煤層截割可靠性，安全系數取為1.6。

1-太陽輪;2-行星輪;3-內齒圈;4-桿系

圖2 2K-H行星減速裝置結構簡圖

3 低速重載齒輪修形技術研究

采煤機齒輪是采煤機截割部傳動部件中的主要零件，搖臂截割部在傳遞功率時各個零部件都會不同程度地產生彈性變形，包括齒輪、搖臂殼體、軸承等，尤其齒輪的彈性變形，如輪齒和輪體的變形會引起齒輪的齒廓和齒向曲線的畸變，使齒輪在嚙合過程中產生沖擊、振動和偏載等，從而使齒輪早期失效的概率增大[4]，使得齒輪使用壽命縮短，降低了采煤機生產效率，產生不必要的損失。生產實踐表明，提高齒輪的制造和安裝精度可改善齒輪的嚙合條件，但將增大齒輪傳動的制造成本。近年來，太重煤機在搖臂齒輪傳動裝置中普遍采用了輪齒修形技術，以減少由于齒輪受載變形和制造安裝誤差引起的嚙合沖擊，改善了齒面潤滑狀態并獲得較均勻的載荷分布，有效地提高了輪齒的嚙合性能和承載能力。輪齒修形包括齒廓和齒向修形兩部分。

3.1 輪齒齒廓修形

輪齒齒廓修形就是將一對相嚙合輪齒上發生干涉的齒面切掉一部分，即對靠近齒頂的一部分進行修形，也叫修緣。齒廓修形主要包括修形量、修形長度和修形曲線三個要素，齒輪修形時，漸開線基節處不修形，齒頂嚙入和嚙出端齒形修形長度基本相等，修形量逐漸由最大值b變化到0，再由0變化到數值a。齒廓修形示意圖如圖3所示。

1-齒廓修形曲線;2-齒頂修形起始點;3-節點;4-齒根修形起始點;5-理論漸開線

3.2 輪齒齒向修形

齒輪齒向修形就是消除齒輪由于傳遞功率而使輪齒產生變形所形成的應力集中[5]，包括齒輪彎曲變形、扭轉變形、剪切變形及齒面接觸變形等。齒向修形主要包括鼓形量大小Cc及鼓形中心在齒向方向上的位置bc兩大因素，如圖4所示。

圖4 齒向修形鼓形量及中心距

3.3 利用NX對齒輪修形前后的接觸應力進行分析

利用NX對齒輪修形前后的接觸應力進行分析，結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可看出，修形后接觸應力明顯得到改善；通過比較修形前、后齒寬方向接觸應力可知，未修形前沿齒寬方向兩邊緣位置出現應力峰值，修形后齒寬方向兩邊緣位置應力集中不明顯。

通過有限元接觸應力分析驗證,修形齒輪可以減小齒輪嚙合應力集中和沖擊載荷，使齒輪傳動更加平穩。

4 改進潤滑方式以提高齒輪和軸承使用壽命

采煤機在大傾角工作面使用過程中，由于截割部的齒輪油集中在行星減速裝置或高速腔的某一側，采用飛濺潤滑方式時，易出現另一側齒輪和軸承潤滑效果不好的現象，因此，截割部采用分腔潤滑和飛濺潤滑相結合的潤滑方式，即將截割部行星頭與高速齒輪獨立為兩個潤滑腔室，它們各自內部進行飛濺潤滑，保證了截割部齒輪和軸承潤滑效果，提高了齒輪和軸承的使用壽命，從而提高了采煤機在大傾角半煤巖工作面工作運行可靠性。

圖5 齒輪接觸應力分布

圖6 齒寬方向接觸應力曲線

5 結語

通過對大傾角半煤巖截割系統關鍵技術的研究，研制了適應特殊工況的大傾角半煤巖MG450/1050-QWD型電牽引采煤機的截割系統。該系統具有截割能力強、故障率低、適應性強、可靠性高等特點，已在多個同類工作面中得到了應用，實踐證明該系統運行平穩可靠、無故障、截割效率高，達到了預期的效果。