礦井采掘機(jī)械振動截割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究

李文瑾

（汾西礦業(yè)集團(tuán)礦山設(shè)備管理中心， 山西 介休 032000）

引言

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

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

1 改進(jìn)后振動截割機(jī)構(gòu)的分析

圖1所示為改進(jìn)后振動截割機(jī)構(gòu)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(lián)軸器、6表示大臂、7表示主軸、8表示電動機(jī)。

圖1 改進(jìn)后振動截割機(jī)構(gòu)的工作原理示意圖

改進(jìn)后的振動截割機(jī)構(gòu)的主要組成為截割頭、減速裝置、慣性沖擊振動機(jī)構(gòu)和主軸。其中減速器采用二級行星減速器，減速器運轉(zhuǎn)時通過電動機(jī)輸出軸帶動一級太陽輪轉(zhuǎn)動，一級太陽輪再帶動一級行星齒輪轉(zhuǎn)動，一級行星輪的輪架帶動二級太陽輪轉(zhuǎn)動，二級太陽輪帶動二級行星輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)的帶動下運轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，在截割頭1傳動架的驅(qū)動下與其一體繞綜掘機(jī)主傳動軸公轉(zhuǎn)。

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

相比之下，改進(jìn)后的振動截割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jìn)后振動截割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計

2.1 行星齒輪減速器的分析及設(shè)計

行星齒輪減速器的設(shè)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(shè)計。其中，最關(guān)鍵的是對兩級傳動齒輪的設(shè)計，包括對齒輪材料的選擇、主要參數(shù)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(qiáng)度的計算及其嚙合度的計算等。

根據(jù)《現(xiàn)代機(jī)械傳動手冊》對齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、分度圓直徑、齒頂圓直徑以及齒根圓直徑進(jìn)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(yōu)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(cè)設(shè)計成漸開線花鍵，然后通過與第二級的太陽輪配合進(jìn)行傳送扭矩。

行星輪軸設(shè)計時需要考慮到離心力的作用，因為行星輪兩側(cè)需要承受嚙合力以及離心力，由于轉(zhuǎn)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(shù)手冊》和《軸承標(biāo)準(zhǔn)匯編》[4-5]。

主軸的設(shè)計需要進(jìn)行材料的選擇、結(jié)構(gòu)的確定以及強(qiáng)度的選取，如果有其他的要求還需考慮到剛度和穩(wěn)定性。由于振動截割機(jī)構(gòu)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(diào)質(zhì)硬度（HB）為 260～280,許用扭應(yīng)力為52 MPa。

2.2 偏心錘的優(yōu)化研究

偏心錘的設(shè)計中最主要的是對工作參數(shù)和幾何參數(shù)的確定。若是工作參數(shù)確定后，影響運行效果的就是幾何參數(shù)。其中幾何參數(shù)的設(shè)計則要依據(jù)偏心錘所處空間的大小進(jìn)行設(shè)計，偏心錘位于綜掘機(jī)截割頭內(nèi)腔，所以截割頭內(nèi)腔的大小決定偏心錘的幾何參數(shù)，而軸向空間尺寸則由于截割頭內(nèi)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(jī)截割頭的內(nèi)腔半徑，r0為截割頭內(nèi)傳動架的外緣半徑，r3為偏心錘旋轉(zhuǎn)軸線與截割頭主軸軸線的間距，rv為偏心錘最大允許設(shè)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(zhuǎn)，設(shè)計偏心錘所允許的最大空間的選取應(yīng)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(shù)。即當(dāng)偏心錘旋轉(zhuǎn)軸線及 r3值固定后，rv選用（R-r3）和（r3-r0）中較小的值。

當(dāng)rv確定之后，如圖2所示可以得知在截割頭的空腔內(nèi)圓周方向上放置的偏心錘的數(shù)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(shù)。由此可得，在偏心錘的設(shè)計過程中，r3、rv、n 三者之間相互關(guān)聯(lián)：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(shè)計中，r3、rv和n的數(shù)值選取要根據(jù)實際設(shè)備選擇最優(yōu)參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化偏心錘的目的。

3 結(jié)論

改進(jìn)后的振動截割機(jī)構(gòu)優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)更加簡單，操作更加方便，而且制造成本較低。改進(jìn)后的振動截割機(jī)構(gòu)能夠被有效地應(yīng)用到綜掘機(jī)和采煤機(jī)中，從而提高煤礦采煤的效率。