采煤機(jī)搖臂銷軸間隙對采高檢測的影響分析

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開采高度的實(shí)時高精度檢測是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前，采煤機(jī)采高檢測主要是通過傳感器測量搖臂傾角或調(diào)高液壓缸的位移量換算來實(shí)現(xiàn)[1-4]，也可采用這 2 種方法相結(jié)合的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器本身能夠滿足采高檢測精度要求，但搖臂與采煤機(jī)機(jī)身連接銷軸卻經(jīng)常因磨損后維護(hù)不及時而存在間隙，測算采高與實(shí)際采高有一定的偏差，采煤機(jī)自動割煤時易發(fā)生割頂板、留底煤、液壓缸頻繁往復(fù)動作等問題，制約了自動化技術(shù)的發(fā)展和推廣。筆者針對搖臂銷軸間隙對采高檢測的影響展開分析和探討，為自動化工作面采煤機(jī)采高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和改進(jìn)思路。

1 銷軸間隙產(chǎn)生原因

為了調(diào)節(jié)割煤高度，采煤機(jī)搖臂與機(jī)身采用鉸接形式連接，其中鉸接軸主要采用圓柱銷或錐銷形式，如圖 1 所示。

圖1 采煤機(jī)銷軸類型Fig.1 Type of shearer pin

圓柱銷通常設(shè)計(jì)為 3 段臺階式，中間軸段與搖臂軸孔鉸接，兩端軸段與采煤機(jī)機(jī)身軸孔固定。使用一段時間后，銷軸、軸孔的磨損與變形導(dǎo)致接觸面產(chǎn)生間隙，由于井下檢測困難，且在短期內(nèi)不會造成采煤機(jī)故障，往往難以引起重視，間隙長期存在并不斷增大，得不到及時更換；錐銷可通過調(diào)節(jié)錐套的軸向位置來補(bǔ)償磨損產(chǎn)生的徑向間隙，使用前期間隙主要來自于錐銷平直段與搖臂軸孔的磨損[5-6]，使用一段時間以后，錐銷與錐套間的緊固螺釘往往會發(fā)生松動，若得不到及時緊固，會引起錐套沿軸向移位，銷軸失去徑向定位后即產(chǎn)生晃動。因此，無論采用哪種形式的銷軸，其間隙普遍存在，且難以消除，對采高檢測的影響也無法避免。

2 銷軸間隙對采高的影響模型

當(dāng)銷軸產(chǎn)生間隙時，可設(shè)銷軸初始中心為D0，最大偏移量為r，銷軸的實(shí)際位置落入圓心為D0，半徑為r的圓內(nèi)，由此建立銷軸中心的分布模型，如圖2 所示，銷軸中心D的坐標(biāo)可表示為

圖2 銷軸誤差模型Fig.2 Model of pin error

圖3 所示為采煤機(jī)調(diào)高模型。取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則采煤機(jī)滾筒中心坐標(biāo)可表示為

其中

式中：LCD為搖臂長度；θ為搖臂與x軸夾角，-π/2≤θ≤π/2。

圖3 采煤機(jī)調(diào)高模型Fig.3 Shearer height adjusting model

根據(jù)三角形余弦公式可知

將式 (9)代入式 (3)和式 (4)，即可得滾筒中心C的坐標(biāo)點(diǎn)，其分布范圍與銷軸最大偏移量r、偏移角度α及搖臂支腿長度LBD有關(guān)。在設(shè)計(jì)采煤機(jī)時，可通過調(diào)整采煤機(jī)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小銷軸間隙對滾筒位置變化的影響范圍。

3 采高檢測數(shù)據(jù)分析利用

為了更直觀地說明銷軸間隙對采高檢測的影響，以最大設(shè)計(jì)采高為 5 m 的 MG750/1920-WD 型采煤機(jī)設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行說明。該機(jī)型最大采高狀態(tài)下對應(yīng)的液壓缸長度LAB=2 400 mm，搖臂長度LCD=2 937 mm，搖臂支腿長度LBD=745 mm，∠CDB=89°。

3.1 滾筒中心分布范圍

通過編制計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)r=2 mm，α在 (0，2π)范圍內(nèi)連續(xù)變化，得到點(diǎn)C(xC，yC)變化范圍，如圖4 所示。

圖4 滾筒中心分布范圍Fig.4 Distribution range of drum center

從圖 4 可以看出，點(diǎn)C坐標(biāo)變化邊界近似為橢圓，即滾筒中心將隨機(jī)出現(xiàn)在橢圓范圍內(nèi)的任何位置。其中，x軸方向最小值為 4 113.4 mm，最大值為4 130.6 mm，最大誤差為 17.2 mm；y軸方向最小值為3 112.8 mm，最大值為 3 128.3 mm，最大誤差為 15.5 mm。

以上數(shù)據(jù)表明：銷軸間隙為 2 mm 時，采煤機(jī)搖臂在未執(zhí)行調(diào)高操作情況下，實(shí)際采高變化量為 17.2 mm，因此，采煤機(jī)在“示范刀”學(xué)習(xí)及自動化割煤過程中，滾筒與煤層頂、底板及其他工作面配套設(shè)備間需留有足夠的安全間隙，防止出現(xiàn)設(shè)備間干涉引發(fā)安全事故。

3.2 銷軸間隙對采高誤差范圍的影響

當(dāng)全新的采煤機(jī)投入使用時，可以認(rèn)為銷軸間隙接近 0，隨著不斷割煤，銷軸間隙也不斷增大，滾筒中心點(diǎn)C(xC，yC)分布范圍也不斷增大，經(jīng)過計(jì)算，其變化趨勢接近于直線，如圖 5 所示。通過添加C點(diǎn)坐標(biāo)變化趨勢線可知：銷軸間隙每增加 1.0 mm，x軸方向誤差平均增大約 8.6 mm，y軸方向誤差平均增大約 7.8 mm。

圖5 液壓缸上置采高計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of cutting height while cylinder being above

自動化工作面通常要求采煤機(jī)記憶截割典型采高重復(fù)誤差不大于 25 mm，對應(yīng)圖 5 中的銷軸間隙約為3 mm，即當(dāng)銷軸間隙大于 3 mm 時，必須對鉸接軸進(jìn)行檢修和維護(hù)。

3.3 銷軸間隙測算

在搖臂銷軸存在間隙的情況下，即使采煤機(jī)液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)未進(jìn)行調(diào)高操作，采高傳感器的檢測值也會隨著搖臂擺動而發(fā)生變化，產(chǎn)生錯誤的采高信息，導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)出錯誤的調(diào)高指令，液壓缸和閥組頻繁往復(fù)動作，引發(fā)液壓系統(tǒng)故障。因此，采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)應(yīng)具有未調(diào)高周期內(nèi)采高數(shù)據(jù)的濾波計(jì)算。

圖6 所示為采煤機(jī)搖臂在未調(diào)高周期內(nèi)擺角θ檢測值隨銷軸不同間隙變化的曲線，從中可以看出，θ波動范圍與銷軸間隙正相關(guān)。根據(jù)一段時間內(nèi)采煤機(jī)θ檢測值的波動數(shù)據(jù)，即可估算出銷軸間隙的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)調(diào)高誤差補(bǔ)償計(jì)算和銷軸維修提醒功能。

圖6 θ 檢測值變化曲線Fig.6 Variation curve of θ measured value

4 結(jié)論

(1)采煤機(jī)采高的精確實(shí)時檢測是實(shí)現(xiàn)自主調(diào)高和自動化運(yùn)行的基礎(chǔ)，而銷軸間隙是影響檢測精度的最主要因素。

(2)銷軸、軸孔的磨損與變形，錐套的軸向松動，是搖臂鉸接銷產(chǎn)生間隙的最主要原因。

(3)通過建立采高誤差模型，推導(dǎo)了銷軸間隙大小對采高影響的計(jì)算公式，繪制出滾筒中心的隨機(jī)分布范圍，其形狀近似為橢圓。

(4)銷軸間隙與傳感器測量值變化趨勢近似為直線，因此可以用于采煤機(jī)自動調(diào)高系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，避免液壓和電控系統(tǒng)頻繁往復(fù)動作而引起機(jī)械故障，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)銷軸檢修提醒，提高采煤機(jī)智能化程度。