采煤機(jī)整體式牽引鏈輪的開發(fā)與應(yīng)用

裴陸慧

（沁和能源集團(tuán)有限公司永紅煤礦， 山西 晉城 048205）

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司永紅煤礦3507 綜采工作面位于五采區(qū)東翼，主要開采3 號(hào)煤層，煤層厚度2.28～6.33 m，平均煤厚4.95 m，煤層傾角5°～22°，平均傾角15°。3507 工作面采用進(jìn)口JOY 7LS6C 型采煤機(jī)落煤裝煤、SGZ764/400 型前部刮板運(yùn)輸機(jī)和SGZ800/630 后部刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤、ZF7200/20/32 型低位放頂煤支架進(jìn)行工作面支護(hù)和放煤。循環(huán)進(jìn)度為0.6 m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距為0.6 m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

采煤機(jī)鏈輪是采煤機(jī)重要零部件，負(fù)責(zé)采煤機(jī)的行走。目前國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)鏈輪均為分體式結(jié)構(gòu)，其中永紅煤礦采用的進(jìn)口JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪，對(duì)于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大工作面及采煤機(jī)鏈輪承受較大軸向力時(shí)，采煤機(jī)鏈輪承載能力不足，圓柱銷斷裂，螺栓剪斷，軸承散架，鏈輪分體。因此，采煤機(jī)牽引鏈輪損壞后需停機(jī)檢修，影響到綜采工作面的工作效率，同時(shí)也增加了工作人員的作業(yè)安全隱患，有必要對(duì)JOY 7LS6C 型采煤機(jī)原鏈輪進(jìn)行全面設(shè)計(jì)改進(jìn)，開發(fā)了一種整體式牽引鏈輪，有效的提高了采煤機(jī)鏈輪的使用壽命，提高了采煤機(jī)鏈輪質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性[1-2]。

2 JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題分析

2.1 采煤機(jī)牽引鏈輪結(jié)構(gòu)

永紅煤礦采用的進(jìn)口JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪采用分體式結(jié)構(gòu)。該分體式牽引鏈輪的根齒輪與齒軌輪采用軸與盲孔間隙配合安裝，通過(guò)4 個(gè)Φ25.4mm圓柱銷傳遞扭矩，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)行走。采用2 盤圓錐滾子軸承，在齒軌輪內(nèi)孔中面對(duì)面使用，采用4 個(gè)定位銷進(jìn)行定位，齒軌輪與根齒輪采用12 條M30-12.9 級(jí)螺栓進(jìn)行緊固。牽引鏈輪12 條M30 螺栓連接輪體并壓緊圓錐滾子軸承外圈，軸承內(nèi)圈通過(guò)軸承端蓋與軸套螺紋配合緊固壓緊。

2.2 采煤機(jī)牽引鏈輪存在的問(wèn)題

3507 綜采工作面3 號(hào)煤層較硬、工作面傾角變化較大，JOY 7LS6C 型采煤機(jī)在割巖割矸時(shí)因采煤機(jī)機(jī)道不平等因素，導(dǎo)致承受較大沖擊載荷，特別是當(dāng)采煤機(jī)鏈輪承受較大軸向力時(shí)，采煤機(jī)鏈輪承載能力不足，進(jìn)行發(fā)生圓柱銷斷裂、螺栓剪斷、軸承散架、鏈輪分體等問(wèn)題，如圖1 所示。3507 綜采工作面采煤機(jī)牽引鏈輪常發(fā)生鏈輪分體情況，每次必須更換新鏈輪，影響工作面開采效率[3]。

圖1 JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪損壞示意圖

3 采煤機(jī)牽引鏈輪損壞原因分析

進(jìn)口JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪常發(fā)生斷齒及分體損壞，其原因分析如下：

3.1 采煤機(jī)牽引鏈輪斷齒原因分析

1）牽引鏈輪本體存在嚴(yán)重缺陷。鏈輪本體鍛造工藝未控制好，鍛造時(shí)產(chǎn)生裂紋、折疊、折皺、白點(diǎn)等異常情況，使得鏈輪本體存在缺陷；當(dāng)鏈輪承載超限時(shí)，鏈輪本體缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生應(yīng)力裂紋，過(guò)而使得牽引鏈輪斷齒。

2）齒根部存在應(yīng)力集中及齒輪芯部硬度過(guò)低。齒輪加工時(shí)，當(dāng)齒根部及齒廓圓角過(guò)渡較小時(shí)存在應(yīng)力集中，這樣齒根圓角的地方就一定會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致輪齒斷裂；牽引鏈輪進(jìn)行調(diào)質(zhì)工藝時(shí)管控不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致齒輪芯部硬度過(guò)低，當(dāng)載荷過(guò)大會(huì)導(dǎo)致輪齒產(chǎn)生裂紋斷裂。

3.2 采煤機(jī)牽引鏈輪分體原因分析

1）牽引鏈輪軸向預(yù)緊力不足。JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪為螺栓軸向固定承受軸向力，當(dāng)承受的軸向力較大導(dǎo)致牽引鏈輪軸向預(yù)緊力不足時(shí)，固定螺栓會(huì)發(fā)生變形和斷裂，從而鏈輪分體。

2）采煤機(jī)牽引鏈輪外部軸向力因素導(dǎo)致鏈輪分體。主要有：采煤機(jī)采用斜切進(jìn)刀工況下，鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力；采煤機(jī)支撐滑靴、導(dǎo)向滑靴嚴(yán)重磨損，牽引鏈輪與銷排側(cè)面干涉，鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力；遇到?jīng)_刷、斷層等構(gòu)造，該工況下采煤機(jī)作業(yè)鏈輪可產(chǎn)生較大軸向力[4]。

3）內(nèi)部軸向力因素導(dǎo)致鏈輪分體。JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪采用2 盤圓錐滾子軸承，易產(chǎn)生較大軸向力；圓錐滾子軸承在安裝時(shí)需調(diào)整工作游隙，工作游隙過(guò)大或過(guò)小都會(huì)直接影響軸承使用壽命。

4 采煤機(jī)整體式牽引鏈輪的開發(fā)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)JOY 7LS6C 型采煤機(jī)鏈輪結(jié)構(gòu)及分體原因分析基礎(chǔ)上，對(duì)采煤機(jī)鏈輪進(jìn)行全面設(shè)計(jì)改進(jìn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種采煤機(jī)整體式牽引鏈輪[5]。

4.1 采煤機(jī)整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計(jì)方案

1）改變?cè)溳喐X輪與齒軌輪分體式設(shè)計(jì)，根齒輪與齒軌輪采用過(guò)盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）采煤鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調(diào)心滾子軸承，徹底解決內(nèi)在軸向力問(wèn)題。

3）為國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)解決采煤機(jī)鏈輪分體提供技術(shù)方案。

4.2 采煤機(jī)整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)構(gòu)方面：將原采煤機(jī)鏈輪根齒輪和齒軌輪使用的連接螺栓固定結(jié)構(gòu)改為過(guò)盈安裝加焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)過(guò)盈內(nèi)應(yīng)力和焊接固定保證鏈輪整體強(qiáng)度，從結(jié)構(gòu)上避免鏈輪分體情況。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的牽引連接方式如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的牽引連接方式

材質(zhì)方面：鏈輪采用18C2N4W 材質(zhì)，提高了鏈輪的整體強(qiáng)度、滲碳深度和表面硬度，提高了鏈輪的可靠性。

4.3 采煤機(jī)整體式牽引鏈輪開發(fā)設(shè)計(jì)工藝流程

采煤機(jī)整體式鏈輪根齒輪需加熱，齒軌輪需冷凍進(jìn)行裝配，焊接采用焊前預(yù)熱、焊后保溫處理，去除焊接應(yīng)力。在各零配件尺寸檢測(cè)合格的條件下裝配，保證鏈輪合理過(guò)盈量，通過(guò)根齒輪與齒軌輪過(guò)盈產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及焊接力滿足鏈輪正常使用所需的扭矩傳遞。

5 實(shí)踐應(yīng)用效果及效益分析

5.1 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

采煤機(jī)整體式牽引鏈輪完成開發(fā)設(shè)計(jì)及制造后，于2022 年5 月在永紅煤礦3507 綜采工作面JOY 7LS6C 型采煤機(jī)上進(jìn)行了安裝調(diào)試，并投入實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中。從2022 年5 月至今，采煤機(jī)及牽引鏈輪整體運(yùn)行穩(wěn)定，牽引鏈輪斷齒、分體等異常損壞情況未出現(xiàn)，對(duì)于煤層較硬、割巖割矸沖擊載荷較大的3507 綜采工作面及采煤機(jī)鏈輪承受較大軸向力時(shí)采煤機(jī)整體牽引鏈輪均可正常工作，使用效果理想。

采煤機(jī)整體式牽引鏈輪應(yīng)用前后主要涉及指標(biāo)對(duì)比分析：整體式牽引鏈輪使用前相關(guān)指標(biāo)值，原采煤機(jī)鏈輪分體概率約10%，大大影響了綜采工作面高效回采工作；整體式牽引鏈輪使用后相關(guān)指標(biāo)值，整體式鏈輪連接可靠，解決了鏈輪分體問(wèn)題，鏈輪使用壽命提高30%。

先進(jìn)性及創(chuàng)新性分析：采煤機(jī)整體式鏈輪是一種全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，通過(guò)對(duì)原采煤機(jī)鏈輪結(jié)構(gòu)分析，具體創(chuàng)新如下：改變?cè)溳喐X輪與齒軌輪分體式設(shè)計(jì)，根齒輪與齒軌輪采用過(guò)盈配合安裝，根齒輪和齒軌輪止口接觸面焊接，保證鏈輪整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；采煤機(jī)鏈輪軸承由圓錐滾子軸承改為調(diào)心滾子軸承，徹底解決內(nèi)在軸向力問(wèn)題。

5.2 效益分析

原進(jìn)口JOY 7LS6C 型采煤機(jī)牽引鏈輪采購(gòu)價(jià)格為34.7 萬(wàn)元，每次鏈輪分體需更換新鏈輪。而設(shè)計(jì)的采煤機(jī)整體式牽引鏈輪價(jià)格為12.4 萬(wàn)元，每臺(tái)JOY 7LS6C 型采煤機(jī)一個(gè)大修周期平均使用12 件鏈輪，鏈輪分體占比約10%，采用采煤機(jī)整體式牽引鏈輪，1臺(tái)采煤機(jī)可節(jié)約費(fèi)用22.3 萬(wàn)元。按照公司在用JOY 7LS6C 型采煤機(jī)12 臺(tái)計(jì)算，整體式牽引鏈輪可節(jié)約267.6 萬(wàn)元。

另外，采用采煤機(jī)整體式牽引鏈輪可降低采煤機(jī)的故障頻次，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本、維修成本，為企業(yè)安全高效生產(chǎn)提供保障。