采煤機整體式牽引鏈輪的開發與應用

裴陸慧

（沁和能源集團有限公司永紅煤礦， 山西 晉城 048205）

1 工程概況

沁和能源集團有限公司永紅煤礦3507 綜采工作面位于五采區東翼，主要開采3 號煤層，煤層厚度2.28～6.33 m，平均煤厚4.95 m，煤層傾角5°～22°，平均傾角15°。3507 工作面采用進口JOY 7LS6C 型采煤機落煤裝煤、SGZ764/400 型前部刮板運輸機和SGZ800/630 后部刮板運輸機運煤、ZF7200/20/32 型低位放頂煤支架進行工作面支護和放煤。循環進度為0.6 m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距為0.6 m，采用自然垮落法管理采空區頂板。

采煤機鏈輪是采煤機重要零部件，負責采煤機的行走。目前國內外采煤機鏈輪均為分體式結構，其中永紅煤礦采用的進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪，對于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大工作面及采煤機鏈輪承受較大軸向力時，采煤機鏈輪承載能力不足，圓柱銷斷裂，螺栓剪斷，軸承散架，鏈輪分體。因此，采煤機牽引鏈輪損壞后需停機檢修，影響到綜采工作面的工作效率，同時也增加了工作人員的作業安全隱患，有必要對JOY 7LS6C 型采煤機原鏈輪進行全面設計改進，開發了一種整體式牽引鏈輪，有效的提高了采煤機鏈輪的使用壽命，提高了采煤機鏈輪質量的可靠性和穩定性[1-2]。

2 JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪結構及存在的問題分析

2.1 采煤機牽引鏈輪結構

永紅煤礦采用的進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采用分體式結構。該分體式牽引鏈輪的根齒輪與齒軌輪采用軸與盲孔間隙配合安裝，通過4 個Φ25.4mm圓柱銷傳遞扭矩，實現采煤機行走。采用2 盤圓錐滾子軸承，在齒軌輪內孔中面對面使用，采用4 個定位銷進行定位，齒軌輪與根齒輪采用12 條M30-12.9 級螺栓進行緊固。牽引鏈輪12 條M30 螺栓連接輪體并壓緊圓錐滾子軸承外圈，軸承內圈通過軸承端蓋與軸套螺紋配合緊固壓緊。

2.2 采煤機牽引鏈輪存在的問題

3507 綜采工作面3 號煤層較硬、工作面傾角變化較大，JOY 7LS6C 型采煤機在割巖割矸時因采煤機機道不平等因素，導致承受較大沖擊載荷，特別是當采煤機鏈輪承受較大軸向力時，采煤機鏈輪承載能力不足，進行發生圓柱銷斷裂、螺栓剪斷、軸承散架、鏈輪分體等問題，如圖1 所示。3507 綜采工作面采煤機牽引鏈輪常發生鏈輪分體情況，每次必須更換新鏈輪，影響工作面開采效率[3]。

圖1 JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪損壞示意圖

3 采煤機牽引鏈輪損壞原因分析

進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪常發生斷齒及分體損壞，其原因分析如下：

3.1 采煤機牽引鏈輪斷齒原因分析

1）牽引鏈輪本體存在嚴重缺陷。鏈輪本體鍛造工藝未控制好，鍛造時產生裂紋、折疊、折皺、白點等異常情況，使得鏈輪本體存在缺陷；當鏈輪承載超限時，鏈輪本體缺陷處易產生應力集中發生應力裂紋，過而使得牽引鏈輪斷齒。

2）齒根部存在應力集中及齒輪芯部硬度過低。齒輪加工時，當齒根部及齒廓圓角過渡較小時存在應力集中，這樣齒根圓角的地方就一定會因長時間使用產生裂紋，進而導致輪齒斷裂；牽引鏈輪進行調質工藝時管控不當會導致齒輪芯部硬度過低，當載荷過大會導致輪齒產生裂紋斷裂。

3.2 采煤機牽引鏈輪分體原因分析

1）牽引鏈輪軸向預緊力不足。JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪為螺栓軸向固定承受軸向力，當承受的軸向力較大導致牽引鏈輪軸向預緊力不足時，固定螺栓會發生變形和斷裂，從而鏈輪分體。

2）采煤機牽引鏈輪外部軸向力因素導致鏈輪分體。主要有：采煤機采用斜切進刀工況下，鏈輪可產生較大軸向力；采煤機支撐滑靴、導向滑靴嚴重磨損，牽引鏈輪與銷排側面干涉，鏈輪可產生較大軸向力；遇到沖刷、斷層等構造，該工況下采煤機作業鏈輪可產生較大軸向力[4]。

3）內部軸向力因素導致鏈輪分體。JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采用2 盤圓錐滾子軸承，易產生較大軸向力；圓錐滾子軸承在安裝時需調整工作游隙，工作游隙過大或過小都會直接影響軸承使用壽命。

4 采煤機整體式牽引鏈輪的開發設計

通過對JOY 7LS6C 型采煤機鏈輪結構及分體原因分析基礎上，對采煤機鏈輪進行全面設計改進，開發設計了一種采煤機整體式牽引鏈輪[5]。

4.1 采煤機整體式牽引鏈輪開發設計方案

1）改變原鏈輪根齒輪與齒軌輪分體式設計，根齒輪與齒軌輪采用過盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結構強度。

2）采煤鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調心滾子軸承，徹底解決內在軸向力問題。

3）為國內煤炭行業解決采煤機鏈輪分體提供技術方案。

4.2 采煤機整體式牽引鏈輪開發設計關鍵技術

結構方面：將原采煤機鏈輪根齒輪和齒軌輪使用的連接螺栓固定結構改為過盈安裝加焊接結構，通過過盈內應力和焊接固定保證鏈輪整體強度，從結構上避免鏈輪分體情況。改進設計后的牽引連接方式如圖2 所示。

圖2 改進后的牽引連接方式

材質方面：鏈輪采用18C2N4W 材質，提高了鏈輪的整體強度、滲碳深度和表面硬度，提高了鏈輪的可靠性。

4.3 采煤機整體式牽引鏈輪開發設計工藝流程

采煤機整體式鏈輪根齒輪需加熱，齒軌輪需冷凍進行裝配，焊接采用焊前預熱、焊后保溫處理，去除焊接應力。在各零配件尺寸檢測合格的條件下裝配，保證鏈輪合理過盈量，通過根齒輪與齒軌輪過盈產生內應力及焊接力滿足鏈輪正常使用所需的扭矩傳遞。

5 實踐應用效果及效益分析

5.1 實踐應用效果分析

采煤機整體式牽引鏈輪完成開發設計及制造后，于2022 年5 月在永紅煤礦3507 綜采工作面JOY 7LS6C 型采煤機上進行了安裝調試，并投入實踐應用當中。從2022 年5 月至今，采煤機及牽引鏈輪整體運行穩定，牽引鏈輪斷齒、分體等異常損壞情況未出現，對于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大的3507 綜采工作面及采煤機鏈輪承受較大軸向力時采煤機整體牽引鏈輪均可正常工作，使用效果理想。

采煤機整體式牽引鏈輪應用前后主要涉及指標對比分析：整體式牽引鏈輪使用前相關指標值，原采煤機鏈輪分體概率約10%，大大影響了綜采工作面高效回采工作；整體式牽引鏈輪使用后相關指標值，整體式鏈輪連接可靠，解決了鏈輪分體問題，鏈輪使用壽命提高30%。

先進性及創新性分析：采煤機整體式鏈輪是一種全新結構設計形式，通過對原采煤機鏈輪結構分析，具體創新如下：改變原鏈輪根齒輪與齒軌輪分體式設計，根齒輪與齒軌輪采用過盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結構強度；采煤機鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調心滾子軸承，徹底解決內在軸向力問題。

5.2 效益分析

原進口JOY 7LS6C 型采煤機牽引鏈輪采購價格為34.7 萬元，每次鏈輪分體需更換新鏈輪。而設計的采煤機整體式牽引鏈輪價格為12.4 萬元，每臺JOY 7LS6C 型采煤機一個大修周期平均使用12 件鏈輪，鏈輪分體占比約10%，采用采煤機整體式牽引鏈輪，1臺采煤機可節約費用22.3 萬元。按照公司在用JOY 7LS6C 型采煤機12 臺計算，整體式牽引鏈輪可節約267.6 萬元。

另外，采用采煤機整體式牽引鏈輪可降低采煤機的故障頻次，提高生產效率，降低企業生產成本、維修成本，為企業安全高效生產提供保障。