特厚煤層采煤機(jī)搖臂行星機(jī)構(gòu)的故障分析*

朱信平

(天地科技有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

陜西一特厚煤層工作面最新投入使用，該綜采工作面長(zhǎng)270 m，采高約7 m，煤質(zhì)硬度約f5，煤層賦存較淺，礦壓較小。

圖1為綜采工作面煤層情況。從圖1中可看到煤層節(jié)理縝密，無(wú)偏幫現(xiàn)象，無(wú)夾矸，傾角和俯仰角都較小，工作面近水平。但在生產(chǎn)過(guò)程中,出現(xiàn)采煤機(jī)滾筒聯(lián)接螺栓松動(dòng)斷裂的情況，具體為壓緊滾筒的12.9級(jí)M30規(guī)格的螺栓全部松動(dòng)，部分?jǐn)嗔选D2為斷裂螺栓圖。為保障安全生產(chǎn)，認(rèn)真分析了故障原因，并進(jìn)行了改進(jìn)修復(fù)。

(a)

(b)

1 采煤機(jī)行星機(jī)構(gòu)定位原理和受力分析

采煤機(jī)割煤過(guò)程中，滾筒連帶滾筒聯(lián)接套主要受到軸向力(F1、F2)、扭矩(M1、M2、M3)作用[1]，如圖3所示。其中:F1主要為斜切時(shí)反向推力;F2主要為裝煤反向推力;M1主要為截割反力產(chǎn)生的扭

(a)

(b)

(a)

(b)

矩;M2主要為斜切反力產(chǎn)生的扭矩;M3主要為裝煤反力產(chǎn)生的扭矩。

圖4為采煤機(jī)行星機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。F1主要由雙列圓錐滾子軸承承載[2];F2主要由12條12.9級(jí)的M30×2×155螺栓承載;M1主要由花鍵承載;M2和M3主要由定位面1、定位面2和雙列圓錐滾子軸承承載。

圖4 行星機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 故障原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障情況的分析，螺栓拉伸變形斷裂，導(dǎo)致故障發(fā)生的可能性較大。主要判斷依據(jù)為：

1) 螺栓損壞形式多為拉伸斷裂。

2) 螺栓損壞后，易造成后續(xù)一系列故障。

3) 左滾筒護(hù)板拆開后發(fā)現(xiàn)一根螺栓斷裂，可能為故障的初期表現(xiàn)。

4) 若花鍵凸出段先掰裂，而后造成螺栓損壞，則螺栓不會(huì)有拉伸斷裂的現(xiàn)象。

可能發(fā)生的故障過(guò)程是在螺栓受力不均的狀況下，某個(gè)或某幾個(gè)螺栓受力較大而發(fā)生疲勞斷裂，隨后其余螺栓以相似方式逐個(gè)斷裂，滾筒帶著滾筒聯(lián)接套沿花鍵方向不斷串動(dòng)，造成花鍵掰裂、損壞，最終可能導(dǎo)致滾筒連帶滾筒聯(lián)接套掉落。

3 螺栓受力分析和計(jì)算

3.1 受力分析

在采煤機(jī)正常割煤過(guò)程中，滾筒的裝煤反力直接傳導(dǎo)至螺栓，尤其下滾筒受力較大，在機(jī)器啟動(dòng)和大煤塊產(chǎn)生時(shí)，螺栓會(huì)受到較大沖擊力。

在采煤機(jī)斜切過(guò)程中，滾筒受到指向采空側(cè)的極大軸向力和沿順時(shí)針方向的巨大扭矩，滾筒聯(lián)接套有軸向移動(dòng)和沿順時(shí)針擺動(dòng)趨勢(shì)，如圖5所示。滾筒帶著滾筒聯(lián)接套產(chǎn)生微小擺動(dòng)，作用到螺栓上即為一定的拉伸量。

圖5 采煤機(jī)斜切進(jìn)刀示意圖及滾筒聯(lián)接套擺動(dòng)趨勢(shì)

3.2 螺栓受力計(jì)算

在定位面完好，螺栓未松動(dòng)的情況下,按滾筒葉片角度16°計(jì)算；截割功率1 000 kW，截割功率的15%用于裝煤[3]；搖臂轉(zhuǎn)速28 r/min；滾筒直徑3.6 m。

滾筒圓周最大線速度v：

v=3.14×3.6×28/60=5.3 m/s

(1)

最大裝煤反力F：

F=0.15×1 000/(5.3×tan16°)=99 kN

(2)

經(jīng)查設(shè)計(jì)手冊(cè)，12.9級(jí)M30×2×155螺栓載荷為602 kN?？膳袛嘣谡９ぷ髑闆r下，螺栓載荷足夠承載裝煤反力。

假設(shè)定位面損壞，螺栓松動(dòng)，則某一個(gè)螺栓單獨(dú)受力狀態(tài)F1：

F1=F×L/L1=99×1 960/350=554 kN

(3)

由以上可看出，若定位面加工偏差較大或損壞，則螺栓緊固不均勻或預(yù)緊力不足，在使用過(guò)程中螺栓逐漸松動(dòng)。某個(gè)螺栓的受力達(dá)到其材料極限值，在頻繁沖擊的條件下，很有可能會(huì)出現(xiàn)塑性變形,進(jìn)而出現(xiàn)疲勞斷裂的情況。 這也同初期判斷相吻合，從理論上得到了解釋。

4 故障分析結(jié)果和改進(jìn)方法

4.1 故障原因

從設(shè)計(jì)上，結(jié)構(gòu)形式和螺栓的選型滿足使用要求，但發(fā)現(xiàn)螺栓在斷裂之前先發(fā)生了松動(dòng)現(xiàn)象，需要改進(jìn)螺栓的預(yù)緊防松性能。為進(jìn)一步提高行星機(jī)構(gòu)的可靠性，螺栓的選型應(yīng)改用更大規(guī)格，這樣可避免因定位面損壞致使螺栓受力達(dá)到極限而斷裂的情況。

4.2 改進(jìn)方法和建議

1) 螺栓材料由42CrMo改為40CrNiMoA，提高其強(qiáng)度和韌性。

2) 增大故障螺栓的規(guī)格，由M30×2改為M36×3。

3) 采用碟簧墊圈，并配置扭矩扳手，保證每個(gè)螺栓的緊固扭矩都達(dá)到3 500 N·m。

4) 增加定位面長(zhǎng)度，提高定位能力。

5) 避免滾筒頻繁帶負(fù)載啟動(dòng)。

6) 由于煤層厚度大，煤質(zhì)硬度高，應(yīng)合理設(shè)置斜切進(jìn)刀距離和斜切速度[4]。