薄煤層雙電機(jī)搖臂新型離合器的開發(fā)研制

劉峰

（天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030）

我國(guó)薄煤層資源分布廣泛，在煤炭可采儲(chǔ)量中，大約20%埋藏在薄煤層。近年來(lái)，隨著中厚煤層等優(yōu)勢(shì)資源的日益減少，薄煤層開采越來(lái)越受到重視。但由于薄煤層常伴有夾矸、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)簿煤層采煤機(jī)的安全可靠性，提出了更高的要求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，采煤機(jī)檢修維護(hù)時(shí)必須打開離合器，以確保工人的安全，因此研制出高可靠性的離合器，成為采煤機(jī)工作安全的必要因素。

本文針對(duì)薄煤層雙電機(jī)搖臂，提出了一種新型的離合器機(jī)構(gòu)，大大提高了搖臂離合器的可靠性。

1 存在的問題

目前國(guó)內(nèi)薄煤層搖臂，普遍采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，既能保證搖臂具有較大的功率，又很好地解決了截割電機(jī)徑向尺寸影響機(jī)身高度的難題，保證搖臂下具有較大的過煤空間。但是如果像單電機(jī)搖臂一樣，在兩個(gè)截割電機(jī)上同時(shí)設(shè)置離合器，則會(huì)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)一和離合器一組成的整體與驅(qū)動(dòng)電機(jī)二和離合器二組成的整體構(gòu)成冗余機(jī)構(gòu)，且不易操作、維護(hù)，所以新型雙電機(jī)搖臂離合器的開發(fā)研制急需解決。

2 功能和工作原理

2.1 功能

該裝置設(shè)置在搖臂變速齒輪組件上，位于電動(dòng)機(jī)和變速器之間，通過“離”與“合”的轉(zhuǎn)換，在主動(dòng)部分運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，使從動(dòng)部分與主動(dòng)部分分離或結(jié)合，以切斷或傳遞搖臂雙電機(jī)向變速器輸入的動(dòng)力，進(jìn)而避免了雙電機(jī)雙離合器的冗余結(jié)構(gòu)。同時(shí)在離合器上設(shè)計(jì)了彈性扭矩軸過載保護(hù)裝置，當(dāng)采煤機(jī)遇到突發(fā)性超載工況時(shí)，起到保護(hù)搖臂的作用。

2.2 工作原理

在采煤機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力由主動(dòng)輪傳入，通過花鍵將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)輪，離合器用來(lái)連接主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，其操作手柄安裝在搖臂的采空側(cè)位置。其中，彈性扭矩軸為一關(guān)鍵零件，通過漸開線花鍵同主動(dòng)輪上的花鍵軸和從動(dòng)輪連接起來(lái)，當(dāng)該軸在手柄和拉桿的作用下外拉后，彈性扭矩軸的外花鍵與齒輪軸的內(nèi)花鍵脫離，終止動(dòng)力傳遞。

如圖1 所示，離合器處于閉合狀態(tài)，當(dāng)需要更換工作狀態(tài)時(shí)，拆下螺釘，打開護(hù)蓋11，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)離合器手柄13，使得底座14 突出部分正好位于離合器定位盤15 開出的縱向溝槽中，此時(shí)拉動(dòng)手柄將扭矩軸3 和花鍵軸2 脫開，這時(shí)主動(dòng)輪1 和從動(dòng)輪6 不再傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主從動(dòng)輪動(dòng)力傳遞的終止。如果想要回到閉合狀態(tài)時(shí)，只需反向操作即可。

圖1 采煤機(jī)搖臂離合器結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)

這種離合器為花鍵式扭矩軸離合器，主要由手柄、拉桿、底座、導(dǎo)向套、軸承、定位盤、圓螺母和扭矩軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.1 拉桿機(jī)構(gòu)

作為離合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一端由軸承支撐，通過擋圈、圓螺母鎖緊和扭矩軸連接，另一端通過連接銷和底座相連。底座本身可以繞定位盤自由旋轉(zhuǎn)360°，且在定位盤上設(shè)有縱向溝槽，所以拉動(dòng)手柄，正好可以將底座突出部分沿定位盤溝槽縱向拉出。在定位盤的外面設(shè)有護(hù)蓋，防止進(jìn)入煤塵損壞離合機(jī)構(gòu)。

3.2 扭矩軸裝置

在從動(dòng)輪的一端設(shè)置軌道，導(dǎo)向套通過緊定螺釘固定在扭矩軸上，可以沿主動(dòng)輪軌道自由滑動(dòng)。在從動(dòng)輪的一端也設(shè)有軌道，扭矩軸通過細(xì)長(zhǎng)軸支撐在導(dǎo)軌上，也可以沿從動(dòng)輪軌道自由滑動(dòng)，且滑動(dòng)行程和導(dǎo)向套相同。當(dāng)扭矩軸在拉桿的作用下，被拉出和推進(jìn)時(shí)，導(dǎo)向套和細(xì)長(zhǎng)軸可以起到導(dǎo)向和支撐的作用。

扭矩軸作為離合器的關(guān)鍵零件，通過花鍵與主動(dòng)輪和從動(dòng)輪相連，不僅起到傳遞動(dòng)力的作用，又是截割傳動(dòng)系統(tǒng)的過載保護(hù)裝置。發(fā)揮著過載保護(hù)、彈性緩沖作用。以下對(duì)扭矩軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2 為彈性扭矩軸。

圖2 彈性扭矩軸

（1）選材。選擇合理的扭矩軸材料，應(yīng)滿足以下要求：

其一，扭矩軸通過花鍵與齒輪連接，所以應(yīng)確保扭矩軸材料和齒輪材料低碳NiCr 鋼強(qiáng)度基本相當(dāng)。

其二，扭矩軸應(yīng)具有一定的芯部硬度，以滿足抗沖擊、抗疲勞要求。

因此，選取齒輪材料18Cr2Ni4WA 作為彈性扭矩軸材料，調(diào)質(zhì)處理，其σb=1 175 MPa。

（2）扭矩軸強(qiáng)度校核。以天地科技MG150/346-WD 采煤機(jī)為例，校核扭矩軸的抗扭強(qiáng)度

式中，

τmax為扭矩軸所受的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力；

Tmax為扭矩軸的最大扭矩；

Wp為抗扭截面模數(shù)；

[τ]為材料的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力。

其中，

式中，

T 為電機(jī)的額定扭矩；

K 為載荷系數(shù)，一般傳動(dòng)扭矩大于電機(jī)額定扭矩的3 倍時(shí)，扭矩軸被扭斷，可以達(dá)到保護(hù)電機(jī)及其他傳動(dòng)件的目的，所以K 取3。

對(duì)于空心軸

式中，

α=d/D

d 為軸的薄弱環(huán)節(jié)內(nèi)徑；

D 為軸的薄弱環(huán)節(jié)外徑。

對(duì)于鋼材

將式（2）、（3）、（4）代入式（1）中，可得結(jié)果。

3.3 離合器殼體結(jié)構(gòu)

將離合機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分的主、從動(dòng)輪采用互相分離，且同軸線布置的形式，通過內(nèi)外花鍵分別和扭矩軸連接，兩端由軸承支撐在搖臂殼體上。支撐殼體采用合金鋼整體鑄造成型，以滿足足夠的剛度，承受巨大的扭曲力和剪切力。

這樣，既解決了薄煤層搖臂變速傳動(dòng)部分的主從動(dòng)輪因采用通軸結(jié)構(gòu)而不易分離的難題，又能保證搖臂鑄造殼體的整體強(qiáng)度。

4 新型離合器特性分析

（1）使用方便、可靠，易維護(hù)，設(shè)計(jì)精巧，體積小，適用在采煤機(jī)搖臂緊湊的機(jī)構(gòu)上，機(jī)械手動(dòng)操作，在礦井下使用和維修都比較簡(jiǎn)單，且該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上可完全拆裝，便于內(nèi)部原件的維修和更換。

（2）性能優(yōu)越，既解決了在薄煤層搖臂雙截割電機(jī)結(jié)構(gòu)上同時(shí)設(shè)置離合器產(chǎn)生冗余結(jié)構(gòu)的難題，實(shí)現(xiàn)了在搖臂采空側(cè)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開啟與閉合的目的，又具有良好的彈性扭矩軸過載保護(hù)裝置，起到保護(hù)搖臂的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

該新型離合器已成功應(yīng)用在薄煤層小功率采煤機(jī)上。與此同時(shí)，也正將此項(xiàng)技術(shù)推廣至中、大功率薄煤層采煤機(jī)上。經(jīng)實(shí)踐證明，大大提高了采煤機(jī)的工作可靠性，取得了良好的效果。

[1]陳建文，蒲國(guó)樹，等.彈性扭矩軸的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電，1998，（1）：35-36.

[2]王德春. 截割部電機(jī)橫向布置的保護(hù)[J]. 煤礦機(jī)械，2010，（7）：202.

[3]趙麗娟，周 宇. 采煤機(jī)扭矩軸設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造工程，2009，（5）：111-114.