不同工況對采煤機行星機構疲勞壽命的影響研究

寧亞鵬

（潞安化工集團古城煤礦，山西 長治 046100）

引言

采煤機是煤礦開采的關鍵機械設備，主要負責割煤、裝煤等工作，其組成部分包括牽引部、截割部、液壓部、電氣控制部等[1]。采煤機的工作流程是在井下開采中，采煤機上煤壁側的滑靴在刮板輸送機設備上滑行前進，其行走輪與刮板輸送機銷排嚙合，可在井下工作面來回往復作業，同時利用油缸的調節調高讓截割部滾筒隨著煤層起伏動作，實現完成割煤工作。此外，采煤機滾筒上的螺旋葉片在旋轉中，將切割落下的煤裝入到刮板輸送機設備中，裝煤工作完成，其具有大質量、大功率及高產量等優點，已經成為井下機械化作業使用率較高的設備[2]。因此，采煤機截割部是采煤機井下作業的核心部件，而行星機構又是采煤機截割部的核心部件，所以提高采煤機截割部行星機構疲勞強度，并提高其使用壽命有著十分重要的意義，針對影響采煤機截割部行星機構疲勞壽命的因素眾多，本文主要分析牽引速度、滾筒轉速、截深及煤巖堅固性系數對行星架機構疲勞壽命的影響規律[3]，從而改善采煤機的疲勞壽命，延長設備的使用壽命。

1 不同工況對行星機構疲勞壽命的影響分析

在井下實際開采中，影響采煤機行星機構疲勞壽命的參數較多，本文主要分析采煤機牽引速度、滾筒轉速、截深及煤巖堅固性系數對行星機構疲勞壽命的影響。

1.1 牽引速度對行星架疲勞壽命的影響

采煤機運行所能承受的載荷與螺旋滾筒的牽引速度有著直接影響，因此會對采煤機各零部件的疲勞壽命造成影響。以采煤機截割部行星架為例，在自滾筒轉速、截深、煤巖堅固性系數一定的前提下，研究牽引速度對行星架疲勞壽命的影響，得到圖1所示的曲線圖。

圖1 牽引速度對行星架疲勞壽命的曲線圖

從圖1中可知，采煤機行星架的疲勞位置主要集中在行星架花鍵退刀槽處，當牽引速度是2.5 m/min、3 m/min、3.5 m/min、4 m/min、5 m/min時，對應的疲勞壽命分別是5.507×106次、4.099×106次、5.030×106次、2.100×106次、1.136×106次。因此，還可看出，隨著采煤機牽引速度的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的，主要是由于隨著采煤機牽引速度的增大，行星架所受的載荷是逐漸增大引起的。

1.2 滾筒轉速對行星架疲勞壽命的影響分析

采煤機滾筒轉速是運動學的某一參數，滾筒轉速的不同也會影響采煤機的受力狀況，在牽引速度、截深、煤巖堅固性系數一定的前提下，研究滾筒轉速對行星架疲勞壽命的影響，得到下頁圖2所示的曲線圖。

從圖2中可知，采煤機行星架的疲勞位置同樣位于花鍵退刀槽處，當滾筒轉速是80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min時，對應的架疲勞壽命分別是4.772×106次、5.048×106次、5.507×106次、5.736×106次、5.892×106次。因此，還可看出，隨著滾筒轉速的增大，行星架疲勞壽命是逐漸增大的，主要是由于隨著滾筒轉速的增大，行星架所受的載荷是逐漸減小引起的，進而導致其疲勞壽命的逐漸增大。

圖2 滾筒轉速對行星架疲勞壽命的曲線圖

1.3 截深對行星架疲勞壽命的影響分析

在采煤機螺旋滾筒截割煤層中，其所能承受的載荷大小與截深的大小有關，因而會造成采煤機各零部件的疲勞壽命產生變化。在自滾筒轉速、牽引速度、煤巖堅固性系數一定的前提下，研究截深對行星架疲勞壽命的影響，得到圖3所示的曲線圖。

圖3 截深對行星架疲勞壽命的曲線圖

從圖3中可知，采煤機行星架疲勞集中位置同樣也是花鍵退刀槽處，當截深是570 mm、585 mm、600 mm、615 mm、630 mm時，對應的疲勞壽命分別是6.346×106次、6.024×106次、5.507×106次、4.918×106次、4.005×106次。因此，還可看出，隨著截深的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的，主要是由于隨著截深的增大，行星架所受載荷逐漸增大引起的。

1.4 煤巖堅固性系數對行星架疲勞壽命的影響分析

煤礦煤層的堅固性系數會對采煤機各零件的疲勞壽命產生直接影響，依據對煤巖體物理力學參數測定的實驗結果可知，煤的堅固性系數是1.4；鋁質煤巖堅固性系數是3.5；灰色煤巖堅固性系數是5.1；石灰巖堅固性系數是6.8；粉砂巖堅固性系數是8.4。在牽引速度、滾筒轉速、截深一定的前提下，研究煤巖堅固性系數對行星架疲勞壽命的影響，得到圖4所示的曲線圖。

從圖4中可知，在上述五種不同煤巖堅固性系數下，對應的行星架疲勞壽命數量級差別較大，分別是9.050×1017次、4.556×1012次、1.338×109次、7.152×107次、5.507×106次。因此，還可看出，隨著煤巖堅固性系數的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的，主要是由于隨著煤巖堅固性系數的增大，行星架所受的載荷是逐漸增大引起的。

圖4 煤巖堅固性系數對對行星架疲勞壽命的曲線圖

綜合上述結果可知，隨著采煤機牽引速度的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的；隨著隨著滾筒轉速的增大，其疲勞壽命是逐漸增大的；隨著截深的增大，其疲勞壽命是逐漸減小的；隨著煤巖堅固性系數的增大，其疲勞壽命是逐漸減小的。因此，在煤礦采煤機實際開采中，當截深、煤巖堅固性系數不變的情況下，通過采煤機協同調速系統，來改變滾筒轉速、牽引速度，進而調節改善采煤機截割部行星結構的疲勞壽命[4]。

2 結論

行星機構是采煤機截割部的核心部件，而影響采煤機截割部行星機構疲勞壽命的因素眾多。本文分析采煤機牽引速度、滾筒轉速、截深及煤巖堅固性系數對行星機構疲勞壽命的影響，結論是：

1）隨著牽引速度的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的；

2）隨著隨著滾筒轉速的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸增大的；

3）隨著截深的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的；

4）隨著煤巖堅固性系數的增大，行星架的疲勞壽命是逐漸減小的；

5）在工程實際開采中，可通過采煤機協同調速系統來改變滾筒轉速、牽引速度，進而來調節改善其疲勞壽命。