采煤机整体式牵引链轮技术改进.pdf

收稿日期 2020－03－31 作者简介 卜闯 1987 ， 男， 辽宁昌图人， 2011 年毕业于辽宁工 程技术大学机械工程及自动化专业， 工程师， 现从事矿井机电方面的 现场实践与研究工作。 采煤机整体式牵引链轮技术改进 卜闯 神东煤炭集团， 陕西 神木719315 摘要 针对神东煤炭公司综采工作面采煤机牵引链轮分体损坏情况， 通过对采煤机链轮原结构、 性能参数、 采场地质条件、 国内加工制造水平等几个方面进行分析， 查找采煤机牵引链轮分体、 断齿 损坏的具体原因， 从牵引链轮结构设计优化、 材料选择、 加工工艺管控、 热处理关键指标优化、 组装 工艺要求等方面制定了相应的改进方案及措施， 整体上提高了采煤机链轮寿命和质量 可靠性、 稳定性， 取得较好的安全、 经济效益， 值得借鉴推广应用。 关键词 采煤机; 牵引链轮; 分体; 断齿 中图分类号 TD421文献标志码 B 文章编号 1671－749X 2020 03－0080－04 Technical improvement of integral traction sprocket of shearer BU Chuang High- end Equipment Ｒ＆D Center， Shendong Coal Group Co．， Ltd．， Shenmu 719315， China Abstract In view of the damage of the shearer’ s traction sprocket in the fully mechanized mining face of Shendong Coal Group， through the analysis from the aspects of the basic structure and perance parameters of shearer’ s traction sprock- et， the geological conditions of working face， and the domestic processing and manufacturing level of the shearer’ s sprocket， the specific reasons for the split and broken teeth of the shearer’ s traction sprocket were analyzed， the corresponding im- provement plan and measures were proposed from the aspects of the structural design， material selection， processing technol- ogy and assembly technology of the traction sprocket， so as to improve the service life and quality of shearer’ s traction sprocket， and obtain better safety and economic benefits， which is worthy of reference and promotion． Key words shearer; traction sprocket; split; broken tooth 0引言 神东矿区各矿井采掘机械化率达到 100， 资 源回采率达 80以上， 开采效率高。电牵引采煤机 是现代矿井综采工作面机械化开采中的关键设备， 采煤机牵引链轮又是采煤机重要部件， 也是易损件。 采煤机牵引链轮损坏将直接导致采煤机停机、 工作 面停产， 严重影响综采工作面正常生产， 给检修工作 人员带来作业安全隐患。采煤机牵引链轮的使用寿 命和可靠性对于采煤机正常生产运行有着重要影 响。针对采煤机牵引链轮异常损坏现象， 通过对国 内采煤机牵引链轮存在问题分析对比及改进措施， 进行原因分析， 制定整改措施。 1采煤机牵引链轮存在问题 神东矿区综采工作面大功率电牵引采煤机主要 以进 口 JOY 采 煤 机 7LS6C 和 Eickhoff 采 煤 机 SL900/1000 为主， 进口采煤机具有性能可靠、 运行 稳定、 开采效率高、 装机功率大等特点， 适合陕甘蒙 地区煤层开采条件， 大大提高了工作面煤炭回采效率。 采煤机牵引链轮是采煤机行走执行机构， 通过 与上级传动齿轮、 运输机销排齿啮合， 将采煤机行走 08 卜闯采煤机整体式牵引链轮技术改进2020 年 扭矩传递至运输机销排， 实现采煤机牵引。采煤机 牵引运行主要克服割煤截割反力、 导向作用力、 采煤 机自身重力、 行走摩擦力等， 采煤机在遇到较硬煤 层、 割岩割矸， 工作面、 倾角变化， 采煤机机道不平、 销排磨损等情况下， 承受的较大冲击载荷， 牵引链轮 易出现非正常磨损损坏情况， 主要表现为牵引链轮 断齿， 采煤机牵引链轮根齿轮、 齿轨轮齿生产裂纹和 牵引链轮分体。采煤机牵引链轮由根齿轮与齿轨轮 分别单独加工完成后使用螺栓连接组装而成， 连接 紧固螺栓断裂后， 链轮横向固定失效， 根齿轮与齿轨 轮分体， 内部轴承散架损坏， 如图 1 所示。 图 1牵引链轮损害情形 2采煤机牵引系统及牵引链轮结构 2． 17LS6C、 SL900/1000 采煤机牵引系统 采煤机牵引系统由 2 台牵引电机作为动力源， 经过牵引减速箱减速扭矩输入， 传递至行走箱驱动 轮 － 牵引链轮， 牵引链轮与刮板运输机销排啮合传 动。7LS6C 采煤机牵引电机 150 kW， 牵引减速箱为 四级直齿 一级行星减速， 行走箱为一级直齿减速; SL900/1000 采煤机牵引电机 150 kW， 牵引减速箱 为三级直齿 一级行星减速， 行走箱为一级直齿减 速。7LS6C 采煤机最大牵引力 1 080 kN， SL900/ 1000 采煤机最大牵引力 1 008 kN。 2． 27LS6C 采煤机牵引链轮结构 7LS6C 采煤机牵引链轮由根齿轮与齿轨轮采用 轴与盲孔配合方式， 轴承选用 2 盘圆锥滚子轴承面 对面安装在齿轨轮内孔， 利用 4 个定位销定位， 12 条 M30 12． 9 级螺栓将根齿轮与齿轨轮横向紧固。 根齿轮与上级传动齿轮啮合， 通过 12－M30 的螺钉 预紧后根齿轮与齿轨轮在结合面产生的摩擦力矩以 及 4 － 25． 4 mm 的定位销来传递力矩， 驱动齿轨轮 在销排上滚动。牵引链轮 12 条 M30 螺栓连接轮体 并压紧圆锥滚子轴承外圈， 轴承内圈通过轴承端盖 与轴套螺纹配合紧固压紧， 通过轴承端盖安装力矩 调节圆锥滚子轴承工作游隙， 圆锥滚子轴承对于装 配要求较高， 如图 2 所示。 图 2 7LS6C 采煤机牵引链轮结构 2． 3SL900/1000 采煤机牵引链轮结构 SL900/1000 采煤机牵引链轮根齿轮与齿轨轮 采用圆周 8 个矩形键嵌入式小间隙配合， 轴承为 2 盘调心滚子轴承， 分别安装在根齿轮与齿轨轮内孔， 根齿轮与齿轨轮通过 8 条 M16 10． 9 级螺栓连接固 定。根齿轮与上级传动齿轮啮合， 通过 8－M16 的螺 钉预紧后根齿轮与齿轨轮在结合面产生的摩擦力矩 以及 8 个矩形方键来传递力矩， 驱动齿轨轮在销排 上滚动， 方键加工精度要求较高， 如图 3 所示。 图 3 SL900/1000 采煤机牵引链轮结构 3采煤机牵引链轮损坏原因分析 3． 1牵引链轮断齿原因分析 链轮本体存在缺陷 链轮本体出现缺陷往往是 在毛坯锻造工艺未控制好， 锻造时产生裂纹、 贴皮、 折叠、 非金属夹杂、 白点、 脱碳等， 在链轮承载受力 18第 3期卜闯采煤机整体式牵引链轮技术改进 时， 这些缺陷导致轮体承载面积减少， 轮体内部组织 连续性差， 缺陷处容易产生应力集中， 在使用过程中 链轮承载超限时， 缺陷处产生应力裂纹， 裂纹扩展使 轮齿断裂。 齿轮芯部硬度过低及齿根部存在应力集中 提 高采煤机牵引链轮轮齿表面硬度及有效硬化层深度 是增强链轮轮齿耐磨性有效方式。通过对牵引链轮 进行渗碳、 淬火处理， 提高链轮齿表面硬度及有效硬 化层深度。在牵引链轮进行调质工艺时， 如果管控 不当， 将会导致齿轮芯部硬度过低， 芯部强度不足以 承载齿轮承受的载荷， 导致轮齿产生裂纹断裂。当 齿轮加工时， 齿根部及齿廓圆角过渡较小， 存在加工 棱角都会导致轮齿根部应力集中产生裂纹， 也会在 承载受力时导致轮齿断裂。 3． 2牵引链轮分体原因分析 链轮轴向预紧力不足 7LS6C 和 SL900/1000 采 煤机牵引链轮均为螺栓轴向固定承受轴向力， 当牵 引链轮承受轴向力大于螺栓预紧力时， 牵引链轮固 定螺栓变形、 断裂， 链轮分体。 采煤机牵引链轮外部轴向力因素 ①采煤机斜 切进刀时， 运输机弯曲段过渡距离短， 过渡不平缓， 采煤机链轮进出弯曲段时， 产生较大轴向力; ②导向 滑靴、 支撑滑靴磨损严重， 链轮与销排啮合异常， 牵 引链轮与销排侧面干涉， 链轮产生轴向力; ③工作面 煤层较硬， 存在冲刷、 断层等构造， 采煤机割煤时机 身震动， 牵引链轮与销排啮合异常产生轴向力。 内部轴向力因素 ①7LS6C 采煤机牵引链轮内 部轴承为 2 盘圆锥滚子轴承， 圆锥滚子轴承受载径 向力时会产生轴向分力， 当外部不均匀径向载荷作 用在链轮上时， 链轮内圆锥滚子轴承产生轴承轴向 分力作用在轴承内外圈， 使轴承内外圈频繁作用在 轴承端盖和轮体上， 当轴承产生轴向力超过螺纹紧 固力， 导致轴承端盖退扣或轮体固定螺钉松动， 圆锥 滚子轴承游隙变大， 预紧载荷松动失效， 牵引链轮分 体损坏; ②圆锥滚子轴承在安装时需调整工作游隙， 工作游隙大小直接影响轴承使用寿命。当轴承工作 游隙过大， 满负荷情况下轴承的承载能力将会降低; 当工作游隙过小， 轴承滚动体摩擦损耗将增加， 导致 轴承温度升高; 对于高载荷高转速的圆锥滚子轴承 调整游隙时， 必须考虑温升对轴向游隙的影响， 轴向 游隙要适当调整得大一点; 对于低转速和承受振动 的轴承调整游隙时， 采用小游隙或施加预载荷安装， 使圆锥滚子轴承的滚子和滚道产生良好接触， 载荷 均匀分布， 防止滚子和滚道受振动冲击遭到破坏。 采煤机牵引链轮内部采用圆锥滚子轴承调整游隙时 应采取预载荷安装， 保证工作游隙; ③SL900/1000 采煤机牵引链轮跟齿轮与齿轨轮通过方键小间隙配 合安装， 当方键加工尺寸超差、 配合间隙过大， 根齿 轮与齿轨轮轴承安装孔加工同轴度低， 都会导致牵 引链轮内部调心滚子轴承内外圈游隙调整过松或过 紧， 牵引链轮轴承受载荷时产生内部轴向力。 4改进措施 4． 1牵引链轮结构改进 连接方式 根据链轮结构形式， 针对 7LS6C 和 SL900/1000 采煤机牵引链轮在不改变链轮整体外 形、 尺寸和安装配合尺寸， 对牵引链轮内部和根齿轮 与齿轨轮组合安装连接方式进行改进。改进式牵引 链轮仍采用根齿轮与齿轨轮分体加工， 轴承选用不 生产分力的调心滚子轴承。对改进式牵引链轮采用 齿轨轮内孔一体式加工， 保证轴承安装同轴度， 根齿 轮与齿轨轮装配采用加热过盈配合安装方式， 通过 4 － 30 mm 圆柱销定位， 并在根齿轮与齿轨轮交接 处进行加强焊接， 使之成为一个整体式牵引链轮。 通过根齿轮与齿轨轮过盈内应力、 4 个定位销和焊 接应力保证足够径向力扭矩传递， 采用调心滚子轴 承避免轴承产生的轴向分力， 根齿轮与齿轨轮通过 轴孔过盈配合面有效降低轴向力对齿轨轮的影响， 如图 4 所示。 图 4牵引链轮连接方式改进 链轮内部轴承选型 7LS6C 采煤机牵引链轮计 算7LS6C 采煤机牵引电机均为 2 150 kW， 电机 额定频率 90 Hz， 电机额定转速 2 670 r/min， 牵引箱 减速比 133， 行走箱驱动轮 22 齿， 牵引链轮根齿轮 35 齿， 齿轨轮 11 齿， 齿轨轮直径为 514． 7 mm， 计算 28陕西煤炭2020 年 采煤机输出扭矩。 T 9 550 P/n 100 391NM 式中 T采煤机输出扭矩; P电机功率; n 输出转速。 F 2 Fr/2r 390 kN 式中 F采煤机单侧牵引链轮牵引力; r牵引 链轮基圆半径。 针对 7LS6C 采煤机链轮圆锥滚子轴承产生轴 向力情况， 对改进链轮内部轴承进行调整， 牵引链轮 内部采用 2 盘调心滚子轴承， 改进后轴承额定动、 静 载荷和使用寿命高于原圆锥滚子轴承， 见表 1。调 心滚子对轴向间隙不敏感， 且相对于圆锥滚子轴承 有较大的承载性能提高， 解决轴承受力产生轴向力 问题。通过链轮轴套台阶定位调心滚子轴承内圈， 定位环间隔轴承外圈， 端盖使用螺钉按规定力矩紧 固压死轴承外圈。 根齿轮与齿轨轮过盈量不易过 大， 防止因内应力过大导致跟齿轮开裂情况。 表 1轴承载荷对比 轴承类型 额定动载 荷/kN 额定静 载荷/kN 寿命/h 圆锥滚子轴承 整改前1 1401 3407 800 调心滚子轴承 整改后1 2201 5309 700 4． 2牵引链轮材料 通过与进口采煤机牵引链轮材料对比， 结合国 内齿轮材料选用 18Cr2Ni4W 高强度中合金渗碳钢 作为新采煤机链轮原材料， 与进口原材料化学元素 和机 械 性 能 对 比，通 过 表 2、表 3 可 以 看 出 18Cr2Ni4W 中不仅含有铬 Cr 、 镍 Ni 元素， 还比 进口材料多钨 W 元素， 钨 W 元素可提高合金钢 淬透性， 提高齿轮的硬度和耐磨性， 热处理 后 18Cr2Ni4W 齿轮齿面硬度 HＲC58 ～ 62， 芯部硬度 HＲC34 ～38。 表 2原材料对比分析 材料CSiMnWCrNiPS 进口材料0． 08 ～0．130．15 ～0． 350． 45 ～0． 65－1． 40 ～1． 753． 25 ～3． 750． 0150． 015 18Cr2Ni4W0． 13 ～0．190．17 ～0． 370． 30 ～0． 600． 80 ～1． 201． 35 ～1． 654． 00 ～4． 500． 010． 01 表 3机械性能对比分析 材料 抗拉强度 σb/MPa 伸长率 δ5/ 断面收缩 率 ψ/ 冲击功 A / kV J －1 热处理 方式 进口材料1 160114463渗碳淬火 18Cr2Ni4W1 17512． 54578渗碳淬火 4． 3牵引链轮加工及热处理 通过对牵引链轮进行设计优化和加工工艺管 控， 对齿轨轮齿廓边缘采用大圆角过渡设计， 防止尖 角处存在渗碳浓度过高， 局部硬度大， 导致掉块情 况; 同时齿根部圆角过渡避免产生应力集中， 改善链 轮受力情况。根齿轮与齿轨轮锻造严格按照工艺执 行， 牵引链轮毛坯料锻造比不低于 3， 锻件进行正火 处理， 细化晶体颗粒， 保证锻件抗拉、 屈服强度等机 械性能， 锻造后进行超声波探伤。在牵引链轮齿轨 轮在渗碳工序时， 通过调整炉内碳浓度及渗碳时间， 保证齿轮碳化物分布均匀。碳化物不低于 3 级， 芯 部组织不低于 4 级。齿面、 芯部硬度符合设计要求， 有效硬化层不低于 3． 5 mm， 硬度梯度过渡均匀， 齿 面为隐晶或细针马氏体加少量残余奥氏体， 不允许 有粗针马氏体出现。 5结语 改进后的采煤机整体式牵引链轮在柳塔煤矿、 锦界煤矿等矿井使用， 过煤量超过 150 万 t， 未出现 牵引链轮断齿、 分体等异常损坏情况发生。在较硬 煤层、 割岩割矸， 工作面存在起伏、 倾角等复杂的工 况， 采煤机牵引链轮均可正常工作， 使用效果良好。 改进的牵引链轮安装简便， 与原有牵引链轮安装尺 寸一致， 可根据不同机型采煤机进行调整牵引链轮 轴套安装尺寸和链轮齿数， 适用于各矿井不同地质 条件下使用要求。 参考文献 ［ 1］ 闫红萍． MG400/930－WD 电牵引采煤机链轮的改 进研究［ J］ ． 机械工程及自动化， 2016， 45 4 107 －108， 110． ［ 2］ 王丽萍， 刘混田． 两种大功率采煤机牵引链轮结构 的比较［ J］ ． 科技情报开发与经济， 2006， 16 18 154－155． ［ 3］ 范正玉， 范彦汝． 采煤机链轮轮齿断裂原因分析及 改进研究［J］ ． 机械工程与自动化， 2018， 47 2 212－213． 下转第 116 页 38第 3期卜闯采煤机整体式牵引链轮技术改进 以单独控制电压的装置， 防止电路故障造成员工受 伤， 在矿工作业环境中设置专门防护措施， 如配电变 压器保证“一机一闸” 而且需要在中性点不接地的 高压系统、 低压系统中， 设置漏电保护装置 ［16 ］。煤 矿在作业中除了遵守电气使用规则， 还要按部就班 的遵守用电规则， 在进行电路作业中， 一定要把有关 线路的电源开关完全断开， 切忌怕麻烦就忽略， 还有 在井下可能出现的带电操作情况如检修电路和搬运 电线、 电气设备时必须采取自我保护措施， 包括时刻 佩戴绝缘手套、 用电压等级与之相匹配的验电器验 电、 装设接地线。 4结语 本事故案例研究了 3 种事故同时发生， 揭示了 电器事故的类型和原因， 将理论与实践相结合保证 了研究结果的真实性， 提出预防办法， 起到对井下人 员的安全提示作用。文中只对案例中提到的电器事 故进行预防但并没有总结所有类型的对应措施， 应 该进一步对各种可能遇见的电器事故进行分析并研 究一些可行性应对方法， 引起煤矿企业高度地重视 煤矿井下电气事故， 采取措施有效地避免煤矿电气 事故的发生。 参考文献 ［ 1］ 张永强． 探究煤矿通风安全管理及通风事故的防 范措施［ J］ ． 现代工业经济和信息化， 2018， 8 6 69－70， 79． ［ 2］ 贾海峰． 煤矿电气安全隐患及存在的问题分析 ［ J］ ． 技术与市场， 2014， 21 5 301－301． ［ 3］ 张胜利． 煤矿电气设备管理问题和维修策略［ J］ ． 机电工程技术， 2018， 47 10 87－89． ［ 4］ 孙继平， 钱晓红． 20042015 年全国煤矿事故分 析［ J］ ． 工矿自动化， 2016， 42 11 1－5． ［ 5］ 张云， 李少逸， 黄晓波． 一起 220kV 变压器突发短 路故障分析［ J］ ． 电气技术， 2018， 19 5 94－98． ［ 6］ 路璐． 煤矿电气控制电路常见故障分析及解决方 法研究［ J］ ． 山东煤炭科技， 2017， 45 5 86－87． ［ 7］ 曹润彬， 董新洲， 何世恩． 事故过负荷情况下距离 保护的动作行为分析［J］ ． 中国电机工程学报， 2015， 35 13 3314－3323． ［ 8］ 景西照， 房召兵． 浅析煤矿触电事故及预防措施 ［ J］ ． 科技信息， 2010， 27 22 674－674． ［ 9］ 李军． 低压配电系统电气故障分析与研究［ D］ ． 沈 阳 沈阳工业大学， 2013． ［ 10］ 李清汝． 论煤矿井下电气设备的安全事故与预防 措施［ J］ ． 煤， 2018， 27 11 64－64， 82． ［ 11］ 王玉民， 刘海波， 靳宗振， 等． 创新驱动发展战略 的实施策略研究［ J］ ． 中国软科学， 2016， 31 4 1 －12． ［ 12］ 孔雨， 何栋， 郑茂举． 煤矿电气事故和防治措施解 析［ J］ ． 山东煤炭科技， 2016， 44 7 92－93． ［ 13］ 任玉辉． 煤矿员工不安全行为影响因素分析及预 控研究［ D］ ． 北京 中国矿业大学， 2014． ［ 14］ 马燕鹏． 煤矿电气设备维修与改进措施研究［ J］ ． 西部探矿工程， 2019， 31 10 123－124． ［ 15］ 陈浩． 分析煤矿供电系统和电气设备的保护［ J］ ． 当代化工研究， 2019， 19 11 95－96． ［ 16］ 贺鹏． 煤矿井下漏电保护技术研究［D］ ． 西安 西 安电子科技大学， 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 2011． 上接第 83 页 ［ 4］ 魏升． 采煤机行走轮齿根断裂特性分析［D］ ． 北 京 煤炭科学研究总院， 2014． ［ 5］ 赵武， 李德昌， 刘威， 等． 采煤机行走轮断裂原因 分析及改进措施［ J］ ． 煤矿机械， 2015， 36 5 308 －309． ［ 6］ 成大先． 机械设计手册 第五版 ［ M］ ． 北京 化学 工业出版社， 2008． ［ 7］ 任安军． 6LS 采煤机链轮断齿失效原因分析［J］ ． 太原理工大学学报， 2005， 36 S1 48－49． ［ 8］ 王忠民． 采煤机行走轮齿断齿原因分析与改进措 施研究［J］ ． 机电工程技术， 2018， 47 10 186 － 188． ［ 9］ 刘海渊， 李世洋． 采煤机行走箱齿轮磨损的原因 分析及预防措施［ J］ ． 低碳世界， 2017， 7 23 31－ 32． ［ 10］ 高恒． 采煤机行走轮受力分析与改进措施［ J］ ． 煤 炭与化工， 2017， 40 6 111－113． ［ 11］ 兰金友． 采煤机行走机构的应力分析［ J］ ． 黑龙江 科技信息， 2010， 14 5 47－47． ［ 12］ 马林军． 采矿机行走齿轮断齿原因分析与改进措 施研究［J］ ． 世界有色金属， 2018， 33 23 220 － 220， 223． 611陕西煤炭2020 年