超级螺栓在采煤机摇臂上的应用

赵军祥

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

随着现代工业技术的不断发展，各类大型乃至超大型机械开始在石化、交通运输、矿山电站和农业生产建设中得到广泛应用，大型螺栓的应用也开始变得普遍起来，但是传统紧固件及其紧固方法难以解决大型设备连接的技术需求。此种背景下，一种性能可靠、构思精巧、安全性能高、应用方便的紧固件应运而生，这就是超级螺栓。超级螺栓的优势在于提高设备完好率，维修简单，有效延长使用寿命，可谓螺栓紧固技术的一次革命。

1 采煤机摇臂与紧固螺栓

煤矿机械设备中，滚筒式采煤机摇臂一般分为弯摇臂与直摇臂两种结构，采高较低的情况下，采煤机通常选用弯摇臂作业形式，其主要目的是扩大摇臂低位截割状态下的过煤空间，由此提高采煤机装煤效果，但这种情况仅适用于一定高度下的采煤作业[1]。对于采高大于2 m的作业情况，采煤机摇臂进行低位截割操作时，摇臂下方过煤空间比较充足，此时要多考虑产品通用性，因而通常设计成直摇臂与连接架搭配的方式，如图1、图2所示。

图1 采煤机弯摇臂

图2 采煤机直摇臂

受以往生产技术和用材的限制，特别是铸造壳体材质的影响，采煤机摇臂通常利用4根销轴与连接架连接在一起，这种连接方式具有较高的可靠性与稳定性。然而受整体结构限制，设计人员需要增强连接部位的强度，且连接架尺寸相对庞大，摇臂长度随之变长，这显然不符合煤矿开采中紧凑型产品的设计理念[2]。随着摇臂壳体材料在近年来的不断提升，通过超级螺栓将摇臂和连接架直接紧固为一体也具有相当高的可操作性。

2 超级螺栓

2.1 超级螺栓的结构

超级螺栓分为三个部分，即中心螺栓一枚、螺母一个（周围配有一圈小螺栓），高强垫片一枚，具体结构示意如图3所示。超级螺栓通常又被称之为超级螺栓多顶推张紧器，应用过程中先将超硬垫片旋进紧固件螺杆，然后沿螺杆主螺纹将超级螺母拧下，使之与超硬垫片相互接触即可。拧紧加固时，注意要将主螺纹周围环绕一周的顶推螺栓拧紧，这是最终步骤也是比较关键的一步，借助简单手动工具即可实现。拧紧后顶推螺钉将预紧力均匀施加到主螺纹上，此种状态下主螺纹被纯张力牢固锁定[3]。

图3 超级螺栓构成示意图

2.1 超级螺栓优点简析

1）产品设计优点。相比于其他紧固方式，超级螺栓中的纯张力锁紧模式保证了同等尺寸下可以获得更强劲的预紧力，从而能够解决更高预紧力的紧固需求，在使用过程中螺栓连接件可有效对抗外部振动等因素的干扰使其不至松动。此外，高预紧力设计方案比较契合紧凑型产品的应用与设计需求，有利于减少材料消耗，控制加工成本。

2）螺栓的安装优点。顶推螺栓的设计尺寸比较小，在安装过程中无需使用过于复杂的安装工具，借助普通手动扳手即可完成安装，且操作方便，大大节约了安装时间，提高了工作效率。加上只用手动工具，有效避免了大型工具危险、接头在高压力下破裂的危险、液压压力引起的安全风险以及其他压伤性危险，安装的安全性较高。相比于其他类型的螺栓，超级螺栓安装时只需将顶推螺栓紧固即可，不易受安装空间的限制和影响，安装更为顺利。

3）设备运行优点。预紧力分布均匀、精确，有效缓解了相邻紧固件载荷不均所造成的影响，高预紧力特性也是避免运行状态下连接件松动的保障。

4）设备维护优点。后期设备维护时，对连接件的固定与紧密程度的检查更方便，纯张力锁紧避免了普通扭矩安装方式引起的螺纹咬死现象；拆卸时也降低了普通螺栓连接方式可能导致的机械故障。

3 采煤机摇臂和连接架的常规连接形式

我国基础工业以往较为落后，这对采煤机部件铸造与材料技术的发展产生较大制约，摇臂铸造壳体强度不足。设计人员为了保证摇臂和连接架之间的连接强度，选择采用大尺寸销轴来连接以上两个部件，虽然此种连接方式具有较高的可靠性，但是连接架尺寸偏大，尤其是一些需要紧凑设计的产品，难以解决设计要求[4]。笔者以某型号采煤机为研究对象，分析其摇臂与连接架之间的连接方式，如图4所示。该采煤机摇臂1长度（即回转中心距和行星头之间的距离）为2761 mm，截割功率设定为650 kW，电动机和摇臂回转中心之间的距离为1159 mm，4根销轴（Φ130 mm）将摇臂和连接架连接在一起，见图4。这种连接形式固然可靠，但摇臂重量明显增加，整体中心偏高。此外，截割作业时调高油缸负载偏高，液压系统容易损坏[5]。

图4 传统采煤机摇臂和连接架之间的连接方式（mm）

4 采煤机摇臂和连接架的新型连接形式

以某型采煤机摇臂2为例，该型采煤机摇臂长度（即回转中心距和行星头之间的距离）为2772 mm，截割功率设定为620 kW，电动机和摇臂回转中心之间的距离为736 mm，采用7根M56超级螺栓将摇臂和连接架连接在一起，如图5、图6所示。

图5 采煤机摇臂和连接架之间的新型连接方式（mm）

图6 超级螺栓在连接架上的分布示意

通过对比两个摇臂我们发现，二者功率相近，长度相当，但二者摇臂回转中心和电动机之间的距离差值为423 mm。在图4结构中，连接架过长不仅会限制产品配套及其适用性，还会导致摇臂中心过高，加大液压系统负载。一旦遇到冲击载荷的作用，液压系统会产生相当于3～4倍正常压力的瞬时冲击，导致严重的系统振动与噪声。此外，工作环境过于恶劣，也会造成液压元件、密封件以及各部分管路受损，所以采用图5的连接方式降低摇臂中心，有助于缓解液压系统负载，保证系统稳定性[6]。

5 结语

采用超级螺栓这一新型连接方式后，采煤机连接架尺寸得到控制，摇臂可调范围明显增加，且重心降低，有利于缓解液压调高件承受的负载，维持液压系统稳定。应注意的是，并非每一种采煤机都适用这一新型连接方式，建议根据具体情况进行设计，并且检验壳体强度是否符合超级螺栓的要求。

[1]张义民，王婷，黄婧，等.采煤机摇臂系统行星轮系疲劳可靠性灵敏度设计[J].东北大学学报（自然科学版），2016，37（10）：1426-1431.

[2]赵丽娟，李明昊，范佳艺，等.基于VP-MFC的采煤机摇臂系统齿轮性能退化可靠性分析[J].中国安全生产科学技术，2016，12（9）：92-97.

[3]章立强.薄煤层采煤机摇臂行星机构的支撑结构研究[J].煤炭工程，2015，47（10）：132-134.

[4]张建峰，王志华.基于EEMD降噪和HMM的采煤机摇臂滚动轴承故障诊断[J].煤矿机械，2016，37（1）：205-207.

[5]吕福军.采煤机摇臂行星传动部滚筒压盖松动和漏油问题的研究[J].煤矿机械，2013，34（11）：192-193.

[6]范瑞民，刘春辉.MG300/700-WD型采煤机摇臂行星机构的改进[J].煤矿机电，2011（4）：124-125.