导读
为满足自动控制技术发展及开采复杂地质条件煤层对采煤机机械系统高可靠性的要求，分析了影响我国电牵引采煤机机械系统方面可靠性提高的主要因素，如大型复杂铸造壳体强度和刚度不足、关键元部件基础理论研究不足和轴承工作游隙不达标、职能部件保护不足等，提出了提高机械系统可靠性而采取的相应可行措施。
采煤机是综采成套装备的关键设备之一，在工作面三机中担负着将煤炭从煤壁截割下来并装到刮板运输机中部槽的重任。随着对井工开采安全要求的日益提高及工业技术的快速发展，工作面生产工艺优化与自动控制技术将是我国综合机械化采煤技术装备的主要趋势。国内采煤机在自动化控制技术、通信以及图像传输等方面还处于起步阶段，严格意义上说，国内采煤机制造厂家尚未生产出具备远程通信、集中控制或集中监控功能的采煤机。另外，随着各矿区优质煤层的日益减少，煤炭生产企业不得不面对复杂地质条件煤层的开采。而要向自动控制技术发展及开采复杂地质条件的煤层，设备的可靠性是最基本的要求。电牵引采煤机机械系统可靠性是其他系统可靠性的基础和保障，目前已有部分学者研究了电牵引采煤机机械系统可靠性的提高方法，如通过有限元分析等软件及引入健康度的概念来提高可靠性，但可靠性方面依然有较大的改进空间。笔者将分析电牵引采煤机机械系统可靠性低的原因，并提出一些具体改进措施。
可靠性是一种综合特性，即产品在规定条件下或规定时间内完成规定功能的能力。产品在制造厂生产出来时具有的可靠性称为固有可靠性；产品在使用过程中反应出来的可靠性称为使用可靠性。固有可靠性主要由设计和制造决定，而使用可靠性受工况、操作水平、维修方式和维修技术的影响较大。本文所讨论的可靠性指产品的固有可靠性。
1机械系统可靠性低的表现
从服役10多年的电牵引采煤机出现的机械系统故障来看，采煤机机械系统可靠性低的现象集中体现在以下部件上：大型复杂铸造壳体、截割传动部行星头大轴承及浮动密封、牵引行走部行走传动装置的行走轮和导向滑靴以及外露接头管线等。
1.1壳体早期失效
采煤机的机械传动系统包括壳体、轴承、齿轮传动系统、冷却系统和润滑系统。除电控箱壳体外，采煤机上的其他壳体多为大型多孔复杂结构铸钢件，均为机械系统减速箱的壳体。采煤机使用一个工作周期(如采完一个工作面)后，部分壳体轴承孔形状公差急剧变大甚至完全丧失，业内称轴承孔出现椭圆孔及喇叭口，宏观表象为整个齿轮减速箱噪声大、功率损失大及寿命低；极少数截割传动部的壳体在大轴承孔处整体断裂，造成很大的机械事故；与牵引行走部连接的截割传动部壳体旋转副铰接耳处(见图1)内孔在使用一个工作周期后变大，宏观表象为截割传动部工作时低频抖动；有的行走箱壳体工作一段时间后下端开口处尺寸变大(见图2)，影响行走轮轴在行走箱壳体上的装配配合要求，并不可避免地造成行走箱中行走轮或大齿轮与驱动轮啮合偏载，宏观表象为齿轮啮合磨损不均匀，磨损严重。
1.摇臂2.旋转副3.牵引部图1采煤机的牵引行走部和摇臂旋转副
图2采煤机行走箱的局部结构
1.2关键元部件可靠性低
(1)导向滑靴和行走轮从设计角度讲，导向滑靴和行走轮是易损件，使用一段时间后需要定期更换。但目前国内部分采煤机的导向滑靴和行走轮往往在远未达到设计寿命时就出现剧烈磨损及断裂现象，从而必须更换。更换导向滑靴和行走轮时采煤机须停机。
(2)转矩轴转矩轴经常出现载荷稍大就频繁断裂及载荷超过设定值但并未断裂的情况。
(3)内喷雾供水装置进水管使用一段时间后，橡胶密封在进水管上磨出沟槽，内喷雾供水系统的冷却水进入齿轮箱油池，造成齿轮油乳化、滚筒喷雾水量下降。
(4)截割传动部行星头圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承和成对使用的单列圆锥滚子轴承都出现过轴承早期失效的情况，如外圈断裂、保持架变形及整个轴承卡死。
1.3职能部件失效
采煤机上的部分接头断裂、管路破损及电缆外保护层破损等，致使采煤机丧失相应的控制功能，甚至停机。
2机械系统可靠性低的原因分析
2.1壳体刚度和强度不足
采煤机上的机械壳体多为大型多孔复杂结构铸钢件，有的壳体重达6t，壳体上有11个轴承安装孔，铸造时钢水流动时间长，容易出现局部气孔、缩孔、疏松及夹砂、泥芯跑偏等铸造缺陷，同时铸件的内应力偏大。受材料所限，低碳合金钢大型复杂壳体铸件后期热处理时通常采用退火或正火处理，壳体整体硬度无法提高，通常硬度为HB～，壳体整体的刚性较低。若通过某些工艺流程来提高硬度，如调质处理，则壳体薄弱环节局部开裂及整件报废的概率较大。当壳体装配齿轮和轴承组成齿轮减速箱并使用一段时间后，尽管减速箱内装配了高质量的轴承和齿轮，但壳体铸件的部分内在缺陷及未释放应力等释放后，将破坏齿轮的传动精度，并影响轴承的配合定位，甚至损坏轴承和齿轮。
采煤机上的壳体和传统齿轮减速箱上的壳体不同：传统齿轮减速箱机壳一般固定且只受内部轴承和齿轮的载荷；而采煤机上的壳体在受内部轴承和齿轮载荷的同时，还受较强的外部载荷。
2.2关键元部件基础理论研究不足
由于各地各矿的井下工作面煤质条件相差较大，采煤机滚筒所受的载荷变化很大；另外，割煤过程中不可避免地会碰到断层、地质构造等，采煤机受到较大的冲击载荷，该载荷在设计研究阶段很难模拟。基于以上原因，到目前为止，采煤机在整机受力方面没有统一可靠的理论计算公式或行业标准，导致在深入研究采煤机的一些关键元部件时缺少准确的载荷。
(1)导向滑靴和行走轮采煤机行走机构如图3所示，其关键元部件为导向滑靴和行走轮。导向滑靴和行走轮为采煤机牵引行走部的直接执行机构，为行走箱中开式齿轮传动的末级，受力大且复杂。究竟是材料差异还是热处理工艺不到位或因磨损机理没有研究清楚等造成其磨损异常，目前尚未见相关报道。
1.行走轮2.导向滑靴3.销排图3采煤机的行走机构
(2)转矩轴转矩轴也称柔性轴(见图4)，为截割传动部中的关键元件，其不仅要传递动力，而且起弹性缓冲和机械过载保护作用。当设备过载时，转矩轴被扭断，电动机和传动系统分离，可有效地保护机械传动系统和电动机，使整个采煤机不致损坏。扭断功能的实现完全依靠转矩轴上的“喉颈结构”。“喉颈结构”可设计为U形、V形或圆形等，但要准确控制载荷超过设定值时断裂。转矩轴从吸收冲击载荷扭转到完全断裂需要一定的时差，准确求解时差涉及刚柔混合体模型的建立、材料性能的完全控制及大量试验。到目前为止，这方面的基础理论研究很少。
1.截割电动机2.一轴组件3.转矩轴4.转矩轴喉颈图4采煤机的扭矩轴
(3)内喷雾供水装置进水管(见图5)受采煤机进水管的特定转速范围及常规进水管和密封材料条件的限制，摩擦副的唇口线比压、配合过盈量、表面硬度以及加工偏向量等对磨损影响的研究偏少。
1.进水管2.齿轮油3.密封14.密封25.密封3图5内喷雾供水装置
2.3轴承工作游隙不达标
影响轴承工作游隙的因素有：①摇臂行星头处的单列或双列圆锥滚子轴承(见图6)的受力大；②工作游隙需要装配时调整，即轴承的工作游隙与实际装配有较大的关系；③轴承下端装配的零部件轴向尺寸链长，装配后公差带较宽，影响轴承的轴向游隙调整。理论上，圆锥滚子轴承的工作游隙为零[11]为最佳状态，但实际工作中游隙为零很难达到。
图6摇臂行星头大轴承
2.4职能部件缺少保护
采煤机工作时煤壁侧为煤和矸石等，常碰撞、挤压外露的管路、接头和电缆，特别是有相对运动的管路接头。
3提高机械系统可靠性的措施
3.1提高复杂铸造壳体的强度和刚度
(1)对壳体关键部位粗加工后进行全面探伤，将铸造缺陷进行最大程度的修复或直接报废。
(2)改变壳体材料，优化热处理流程。对可靠性要求高的壳体，采用优质材料并通过调质等热处理工艺，提高壳体的整体强度和硬度，以提高壳体的整体抗弯强度、防变形能力及耐磨性。
(3)通过感应淬火或其他方式，提高壳体各轴系轴承孔及配合止口和铰接孔的硬度；通过提高加工精度等级，提高壳体各轴系轴承孔及止口的形位公差等。
只有在壳体整体性能良好、各孔精准的前提下，高质量的齿轮和轴承才能充分发挥其作用，以得到高质量的机械传动系统，并最大程度地保证其可靠性。
3.2加强关键元部件基础理论研究
(1)导向滑靴和行走轮理论上，需要研究导向滑靴耐磨层硬度和销排表面硬度的合理匹配。导向滑靴在销排上滑动工作时，最高温度值及其对干摩擦副的磨损影响，导向滑靴耐磨面的粗糙度对磨损的影响，需要对行走轮齿形曲线进行优化，如采取摆线-渐开线复合齿廓及变位渐开线齿廓等，以尽量降低其与销排销齿非共轭啮合时的滑差率，增强齿根弯曲强度，降低齿面接触应力；热处理工艺上，加大行走轮齿面有效渗碳层深度，保证渗碳层最终表面碳势的同时保持齿轮芯部的韧性。
(2)转矩轴需要通过高端动态仿真软件获取不同“喉颈结构”的应力变化曲线，进行大量试验以确定最终有效的“喉颈结构”；通过建立刚柔混合体确定此轴由吸收载荷到断裂的时差，以使其准确实现传递转矩、吸收冲击载荷、载荷超过设定值时断裂。
(3)进水管通过基础理论研究及试验，确定合理的唇口线比压、配合过盈量以及表面硬度等。提高表面硬度可采用金属涂层技术或与其他非金属相相结合工艺，如热喷涂Ni/Cr、Ni/Al、Ni-Cr等基耐热合金材料或热喷涂陶瓷镀层等。
3.3控制轴承游隙
确保高质量的圆锥滚子轴承在工作游隙为零的状态下工作，将大大提高摇臂行星头处轴承的有效寿命。
(1)设计时，大型圆锥滚子轴承尽量选用进口轴承，若尺寸较大、常规产品无法满足时，可定制。
(2)通过提高轴承的装配工艺及装配质量，尽量通过合理的装配游隙以保证最终的工作游隙为零。
一般情况下，轴承的轴向游隙调整合理，其在首次大修周期内能满足无故障运行。
3.4改进结构设计
提高旋转副的固定副硬度，并与其大部件做成整体的结构；降低旋转副的运动副硬度，并与其大部件做成分体的结构(见图7)。硬度较低的一副磨损后可以更换，而无须更换整个大部件，在提高整机可靠性的同时，降低产品成本。
图7采煤机的分体摇臂
3.5加强保护职能部件
设计时尽量减少接头和管路与煤块等发生摩擦的概率，或降低碰撞时对接头的冲击；加强对外露接头、接线盒等的保护，特别是外露液压管路接头和信号电缆等。此外，可通过变更结构设计来加强保护，如有的厂家将调高液压缸布置在机身上方，以降低和底板浮煤的碰撞概率。
4结论
笔者对电牵引采煤机机械系统可靠性低的现象及原因进行了详细分析，并提出了提高可靠性的相应措施。部分技术措施已成功实施，如摇臂壳体采用合金铸钢经调质处理后，硬度从HB～提高到原来的1.5倍、过煤量从万t提高到原来的2倍多后，壳体情况良好。采煤机机械系统可靠性的提高，为向自动控制技术发展及开采复杂地质条件的煤层夯实了基础。
引文格式：
[1]王振乾.电牵引采煤机机械系统可靠性低的原因及改进措施.[J].矿山机械,,43(2):1-5.
精彩内容，欢迎点击
磨矿装备技术发展趋势研究14种圆锥破常见问题汇总：总会遇到一两种，收藏有备无患！矿井提升机系统介绍，太全面了，建议收藏！煤矿各类提升设备钢丝绳检查、检验及维护保养的规定煤矿皮带机六大保护安装位置及实验标准预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
转载请注明：http://www.kuangshanjixiea.com/sblt/15996.html
当前位置： 矿山机械设备 > 设备论坛 > 电牵引采煤机机械系统可靠性低的原因及改进
