礦井采掘機械振動截割機構結構的改進研究

李文瑾

（汾西礦業集團礦山設備管理中心， 山西 介休 032000）

引言

現階段礦井采掘采用比較多的懸臂式綜掘機，對于所截割巖石的單軸抗壓強度處于40～80 MPa時具有良好的適應性，但無法滿足所有地層條件。隨著采礦技術的不斷發展，礦井開采向深部發展，掘進斷面不斷增大，以及周邊巖層的硬度不斷增加，對綜掘機的截割性能要求更加嚴格。

鑒于此，世界各國在截割技術方向上都進行了深入的探索及研究，例如20世紀90年代初，俄羅斯National University of Tula研發出了慣性沖擊振動器；德國某研究院研發出了振動式滾刀綜掘機切割頭；南京某公司起先研發了ELMB-75C型振動綜掘機，然后研發了EBJ-132A型振動綜掘機,還有一些國家選用高壓細射流助切和增大截割功率等方法，然而經過實踐證明，提高截割技術最有效的措施就是選用慣性沖擊振動機構。

1 改進后振動截割機構的分析

圖1所示為改進后振動截割機構的工作原理示意圖，圖中1表示截割頭、2表示偏心錘、3表示齒輪8、4表示齒輪7、5表示彈性聯軸器、6表示大臂、7表示主軸、8表示電動機。

圖1 改進后振動截割機構的工作原理示意圖

改進后的振動截割機構的主要組成為截割頭、減速裝置、慣性沖擊振動機構和主軸。其中減速器采用二級行星減速器，減速器運轉時通過電動機輸出軸帶動一級太陽輪轉動，一級太陽輪再帶動一級行星齒輪轉動，一級行星輪的輪架帶動二級太陽輪轉動，二級太陽輪帶動二級行星輪轉動，二級行星輪輪架連接著截割頭1，二級行星輪架帶動截割頭1轉動；慣性沖擊振動器的組成部分為偏心錘2、齒輪3和齒輪4。慣性沖擊振動器在電動機的帶動下運轉，其中偏心錘2在齒輪3和齒輪4的作用下繞自身的軸線自轉，在截割頭1傳動架的驅動下與其一體繞綜掘機主傳動軸公轉。

改進后的截割機構增加了機械分流傳動的功能。其中功率流一方面是從主電機通過減速器傳送到截割頭，形成截割力矩進行截割，另一方面是從主電機通過離合器、齒輪4以及行星輪3傳送到偏心錘，產生離心力后經由行星架傳送到截割頭，形成扭振力矩進行破碎，然后兩功率流經由行星架合在一起，形成振動截割[3]。

相比之下，改進后的振動截割機構結構更加簡單，操作更加方便，而且也大大降低了制造成本。

2 改進后振動截割機構的結構分析及設計

2.1 行星齒輪減速器的分析及設計

行星齒輪減速器的設計具體是對兩級傳動齒輪、行星輪、行星架、主軸和其他部件的計算及設計。其中，最關鍵的是對兩級傳動齒輪的設計，包括對齒輪材料的選擇、主要參數的確定、熱處理及制造工藝的選擇、對各部分尺寸的計算、齒輪強度的計算及其嚙合度的計算等。

根據《現代機械傳動手冊》對齒輪的模數、齒數、齒寬、分度圓直徑、齒頂圓直徑以及齒根圓直徑進行了確定。同時也確定了行星架選用雙壁式行星架，材料選用ZG40Cr，雙壁式行星架的優點在于剛度大，受載變形小以及噪聲少，其中把行星架的左側設計成漸開線花鍵，然后通過與第二級的太陽輪配合進行傳送扭矩。

行星輪軸設計時需要考慮到離心力的作用，因為行星輪兩側需要承受嚙合力以及離心力，由于轉壁速度的升高，形成的離心力會造成軸承的承受力加大，所以對嚙合作用力的計算，需考慮到離心力的作用。其中軸承的選擇及校核需參考《實用軸承技術手冊》和《軸承標準匯編》[4-5]。

主軸的設計需要進行材料的選擇、結構的確定以及強度的選取，如果有其他的要求還需考慮到剛度和穩定性。由于振動截割機構對軸的要求比較高，所承載的扭矩也較大，因此需要選用的材料為20Cr2Mn2Mo，調質硬度（HB）為 260～280,許用扭應力為52 MPa。

2.2 偏心錘的優化研究

偏心錘的設計中最主要的是對工作參數和幾何參數的確定。若是工作參數確定后，影響運行效果的就是幾何參數。其中幾何參數的設計則要依據偏心錘所處空間的大小進行設計，偏心錘位于綜掘機截割頭內腔，所以截割頭內腔的大小決定偏心錘的幾何參數，而軸向空間尺寸則由于截割頭內的傳動架受到了局限。如圖2所示為偏心錘徑向空間尺寸示意圖，圖中：R為綜掘機截割頭的內腔半徑，r0為截割頭內傳動架的外緣半徑，r3為偏心錘旋轉軸線與截割頭主軸軸線的間距，rv為偏心錘最大允許設計空間半徑，rm為偏心錘的最大外圓半徑。其中偏心錘可利用的最有效的空間是R和r0。

為了確保偏心錘的正常運轉，設計偏心錘所允許的最大空間的選取應由rv值確定，以下為確定rv值的公式：

式中：min為取較小值的函數。即當偏心錘旋轉軸線及 r3值固定后，rv選用（R-r3）和（r3-r0）中較小的值。

當rv確定之后，如圖2所示可以得知在截割頭的空腔內圓周方向上放置的偏心錘的數量n，以下為確定n值的公式：

圖2 偏心錘徑向空間尺寸示意圖

式中：int取整函數。由此可得，在偏心錘的設計過程中，r3、rv、n 三者之間相互關聯：r3增大，rv則減小，而n則增大；r3減小，rv則增大，而n則減小。因此，在偏心錘的設計中，r3、rv和n的數值選取要根據實際設備選擇最優參數，從而達到優化偏心錘的目的。

3 結論

改進后的振動截割機構優點在于結構更加簡單，操作更加方便，而且制造成本較低。改進后的振動截割機構能夠被有效地應用到綜掘機和采煤機中，從而提高煤礦采煤的效率。