不同工况对采煤机行星机构疲劳寿命的影响研究

宁亚鹏

（潞安化工集团古城煤矿，山西 长治 046100）

引言

采煤机是煤矿开采的关键机械设备，主要负责割煤、装煤等工作，其组成部分包括牵引部、截割部、液压部、电气控制部等[1]。采煤机的工作流程是在井下开采中，采煤机上煤壁侧的滑靴在刮板输送机设备上滑行前进，其行走轮与刮板输送机销排啮合，可在井下工作面来回往复作业，同时利用油缸的调节调高让截割部滚筒随着煤层起伏动作，实现完成割煤工作。此外，采煤机滚筒上的螺旋叶片在旋转中，将切割落下的煤装入到刮板输送机设备中，装煤工作完成，其具有大质量、大功率及高产量等优点，已经成为井下机械化作业使用率较高的设备[2]。因此，采煤机截割部是采煤机井下作业的核心部件，而行星机构又是采煤机截割部的核心部件，所以提高采煤机截割部行星机构疲劳强度，并提高其使用寿命有着十分重要的意义，针对影响采煤机截割部行星机构疲劳寿命的因素众多，本文主要分析牵引速度、滚筒转速、截深及煤岩坚固性系数对行星架机构疲劳寿命的影响规律[3]，从而改善采煤机的疲劳寿命，延长设备的使用寿命。

1 不同工况对行星机构疲劳寿命的影响分析

在井下实际开采中，影响采煤机行星机构疲劳寿命的参数较多，本文主要分析采煤机牵引速度、滚筒转速、截深及煤岩坚固性系数对行星机构疲劳寿命的影响。

1.1 牵引速度对行星架疲劳寿命的影响

采煤机运行所能承受的载荷与螺旋滚筒的牵引速度有着直接影响，因此会对采煤机各零部件的疲劳寿命造成影响。以采煤机截割部行星架为例，在自滚筒转速、截深、煤岩坚固性系数一定的前提下，研究牵引速度对行星架疲劳寿命的影响，得到图1所示的曲线图。

图1 牵引速度对行星架疲劳寿命的曲线图

从图1中可知，采煤机行星架的疲劳位置主要集中在行星架花键退刀槽处，当牵引速度是2.5 m/min、3 m/min、3.5 m/min、4 m/min、5 m/min时，对应的疲劳寿命分别是5.507×106次、4.099×106次、5.030×106次、2.100×106次、1.136×106次。因此，还可看出，随着采煤机牵引速度的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的，主要是由于随着采煤机牵引速度的增大，行星架所受的载荷是逐渐增大引起的。

1.2 滚筒转速对行星架疲劳寿命的影响分析

采煤机滚筒转速是运动学的某一参数，滚筒转速的不同也会影响采煤机的受力状况，在牵引速度、截深、煤岩坚固性系数一定的前提下，研究滚筒转速对行星架疲劳寿命的影响，得到下页图2所示的曲线图。

从图2中可知，采煤机行星架的疲劳位置同样位于花键退刀槽处，当滚筒转速是80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min时，对应的架疲劳寿命分别是4.772×106次、5.048×106次、5.507×106次、5.736×106次、5.892×106次。因此，还可看出，随着滚筒转速的增大，行星架疲劳寿命是逐渐增大的，主要是由于随着滚筒转速的增大，行星架所受的载荷是逐渐减小引起的，进而导致其疲劳寿命的逐渐增大。

图2 滚筒转速对行星架疲劳寿命的曲线图

1.3 截深对行星架疲劳寿命的影响分析

在采煤机螺旋滚筒截割煤层中，其所能承受的载荷大小与截深的大小有关，因而会造成采煤机各零部件的疲劳寿命产生变化。在自滚筒转速、牵引速度、煤岩坚固性系数一定的前提下，研究截深对行星架疲劳寿命的影响，得到图3所示的曲线图。

图3 截深对行星架疲劳寿命的曲线图

从图3中可知，采煤机行星架疲劳集中位置同样也是花键退刀槽处，当截深是570 mm、585 mm、600 mm、615 mm、630 mm时，对应的疲劳寿命分别是6.346×106次、6.024×106次、5.507×106次、4.918×106次、4.005×106次。因此，还可看出，随着截深的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的，主要是由于随着截深的增大，行星架所受载荷逐渐增大引起的。

1.4 煤岩坚固性系数对行星架疲劳寿命的影响分析

煤矿煤层的坚固性系数会对采煤机各零件的疲劳寿命产生直接影响，依据对煤岩体物理力学参数测定的实验结果可知，煤的坚固性系数是1.4；铝质煤岩坚固性系数是3.5；灰色煤岩坚固性系数是5.1；石灰岩坚固性系数是6.8；粉砂岩坚固性系数是8.4。在牵引速度、滚筒转速、截深一定的前提下，研究煤岩坚固性系数对行星架疲劳寿命的影响，得到图4所示的曲线图。

从图4中可知，在上述五种不同煤岩坚固性系数下，对应的行星架疲劳寿命数量级差别较大，分别是9.050×1017次、4.556×1012次、1.338×109次、7.152×107次、5.507×106次。因此，还可看出，随着煤岩坚固性系数的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的，主要是由于随着煤岩坚固性系数的增大，行星架所受的载荷是逐渐增大引起的。

图4 煤岩坚固性系数对对行星架疲劳寿命的曲线图

综合上述结果可知，随着采煤机牵引速度的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的；随着随着滚筒转速的增大，其疲劳寿命是逐渐增大的；随着截深的增大，其疲劳寿命是逐渐减小的；随着煤岩坚固性系数的增大，其疲劳寿命是逐渐减小的。因此，在煤矿采煤机实际开采中，当截深、煤岩坚固性系数不变的情况下，通过采煤机协同调速系统，来改变滚筒转速、牵引速度，进而调节改善采煤机截割部行星结构的疲劳寿命[4]。

2 结论

行星机构是采煤机截割部的核心部件，而影响采煤机截割部行星机构疲劳寿命的因素众多。本文分析采煤机牵引速度、滚筒转速、截深及煤岩坚固性系数对行星机构疲劳寿命的影响，结论是：

1）随着牵引速度的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的；

2）随着随着滚筒转速的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐增大的；

3）随着截深的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的；

4）随着煤岩坚固性系数的增大，行星架的疲劳寿命是逐渐减小的；

5）在工程实际开采中，可通过采煤机协同调速系统来改变滚筒转速、牵引速度，进而来调节改善其疲劳寿命。