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薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构优化设计李金生，薛军，李琥（国家能源集团神东煤炭集团高端设备研发中心，陕西神木 719315）近年来，中厚以上煤层资源逐渐匮乏，导致薄煤层资源开采比例急剧攀升。但是薄煤层赋存条件不稳定、环境恶劣，而且开采工作面空间狭小，致使薄煤层资源开采难度较大，开采水平也远低于中厚以上煤层资源开采水平,因此对开采机械设备性能提出了更高要求1-2。多数采矿行业应用的采煤机普遍存在机身沉重、部件陈旧、磨损严重、维护量大、截割功率较小、生产效率低等问题，严重影响了采煤效率。为了有效开发薄煤层煤炭资源，对薄煤层采煤机的研究引起了研究者和从业者的高度关注。葛世荣3从理论上归纳了电牵引采煤机 112 种行走技术，受可靠性和可控性限制，最终归纳为 10 余种采煤机行走技术，并对未来的电牵引采煤机行走技术发展方向提出展望。田震等4从螺旋滚筒截割阻力矩、截割功率以及采煤机动态特性等方面对螺旋滚筒截割性能进行研究，使薄煤层采煤机关键零件的受力状态得到明显改善。翟雨生等5分析了薄煤层采煤机在开发过程中所面临的整机布置方式、高功率密度摇臂设计、高速高可靠牵引行走系统研究、紧凑型电控系统设计、装煤效果及拖缆关键技术问题，并分别给出了解决思路或建议。章立强6针对较薄煤层采煤机出现的装载问题，提出了具有摇臂壳体优化的新型较薄煤层采煤机。尚存正7针对 MG200/456WD 型电牵引采煤机在开采过程中出现摇臂压盘用螺栓松动、离合机构异常以及拖缆装置与调高千斤顶弹性线圈磨损严重的问题，提出了相应的改进措施，不仅满足了井下生产的需求，而且故障率显著降低，安全性和可靠性大大增强。韦玮等8对连续采煤机轴链轮结构进行了重新设计，并采用解体组焊的办法，不但使轴链轮的整体性能更好，而且突出了链轮部分的高强度、高耐磨性能。以上采煤机的研究取得了一些有贡献的成果，但对适用于薄煤层资源开采所需的采煤机牵引块双齿轮链轮结构研究较少。为满足薄煤层开采需求，攻克链轮结构磨损严重问题的关键技术，本文对薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构进行优化设计研究。1薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构优化1.1薄煤层采煤机三维建模薄煤层采煤机三维建模能够直观、形象地显示采摘要为解决采煤机因链轮结构磨损而影响其使用效果和寿命的问题，针对薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构展开优化设计。利用 CATIA 软件构建薄煤层采煤机三维模型，并通过数字化装配与干涉检查将链轮结构优化为整体化结构，变单链轮直接驱动为双链轮间接驱动；利用正交优化设计方法优化参数；将材料成分配方优化为18Cr2Ni4W（高强度中合金渗碳钢）。验证结果表明：优化后，在不同载荷与不同转速条件下，链轮结构磨损失重值均有所降低，可有效提高采煤机使用效果和寿命。关键词薄煤层；采煤机；牵引块；双齿轮链轮；正交化；优化设计文章编号：1005-9598(2023)-05-0133-04中图分类号：TH132.45文献标识码：A收稿日期：2023-07-06基金项目：国家能源集团项目（CEZB210301321）第一作者：李金生（1985），男，回族，新疆乌苏人，工程师，学士，2009 年本科毕业于内蒙古科技大学机械设计制造及其自动化专业，研究方向为高端采煤机研发，E-mail：；通讯作者：李琥（1985），男，汉族，湖北黄冈人，工程师，硕士，2011 年研究生毕业于西北工业大学机械电子工程专业，研究方向为机电一体化技术，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.031引用格式：李金生,薛军,李琥.薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构优化设计J.煤化工，2023，51（5）：133-136.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.20232023 年煤 化 工煤机全部组成部分的细节与结构，通过整机装配及测试发现采煤机的缺陷，并以此为基础，对其进行针对性优化设计，保证煤炭开采作业的安全高效进行。采用 CATIA 软件对薄煤层采煤机进行三维建模，因为 CATIA 软件内部零部件之间是相互独立的，能够对任意部件进行修改、重建，不会影响其他零件的数值与结构，方便采煤机牵引块双齿轮链轮的优化。首先，利用零件模块绘制采煤机每个零部件的草图；然后，利用特征命令获取三维实体模型；最后，对采煤机牵引块双齿轮链轮进行优化。薄煤层采煤机齿轮零件模型和链轮零件模型分别如图 1 的（a）和（b）所示。以图 1 展示的采煤机零件模型为基础，依照零件之间的约束关系进行数字化装配，形成薄煤层采煤机虚拟样机。数字化装配步骤：（1）导入机身箱体，将其作为数字化装配的基础，设置其他零件装配顺序为自下而上；（2）利用销轴装配机身箱体铰耳与摇臂下端铰耳，并保证两个铰耳中心轴相合。在采煤机数字化装配完成后，对其进行干涉检查，以确保内部各个零件之间无干涉现象存在。将模型导入有限元软件 Ansys Workbench 来验证采煤机的整体性能，发现采煤机牵引块双齿轮链轮性能较差，因此对采煤机牵引块双齿轮链轮结构和参数进行优化，同时对材料进行重新选择。1.2牵引块双齿轮链轮结构优化牵引块双齿轮链轮结构优化主要针对链轮连接方式进行优化，此种优化方法变单链轮直接驱动为双链轮间接驱动，不会改变链轮尺寸、外形与安装配合尺寸。改进后链轮连接示意图如图 2 所示。图 2 中改进后的链轮采用双齿轮结构，分别为根齿轮与齿轨轮，将其与调心滚子轴承进行一体式加工，以此来确保轴度的一致。根齿轮与齿轨轮连接方式优化为加热法装配与过盈配合技术安装方式，利用圆柱销进行定位，并在连接处加强焊接，使链轮成为一个整体。牵引块双齿轮链轮结构优化前后采用的轴承类型是不同的，所承受的载荷也存在差异，对比情况如表 1 所示。如表 1 所示：通过牵引块双齿轮链轮结构优化，轴承载荷明显增加，使用寿命明显延长，说明牵引块双齿轮链轮结构优化效果显著。1.3牵引块双齿轮链轮参数优化牵引块双齿轮链轮结构较为复杂，是采煤机最容易发生故障的部件之一。为了提升链轮的可靠性，选取正交优化设计方法对链轮参数进行分析与优化。根据已有文献9研究成果可知：链轮的主要参数为短齿厚度、链窝长度、齿型圆弧半径及链窝平面圆弧半径。为了方便参数优化，将上述链轮参数分别记为 C1、C2、C3、C4，应用 LS-DYNA 结构分析软件对链轮参数进行正交试验，获取链轮的最大应力值。以最大应力值为目标，采用抛物线拟合法对链轮参数进行拟合，顶点坐标对应的链轮参数数值即为参数的优化数值。链轮参数抛物线拟合方程式见式（1）：y1=2.8x2-250.5x+5 851.5y2=1.85x2-306.95x+12 982.2y3=11.15x2-652.55x+9 790.8y4=5.2x2-400.12x+8 420.1扇墒设设设设设设设缮设设设设设设设（1）式中：y1、y2、y3、y4分别表示参数 C1、C2、C3、C4对应的抛物线拟合方程；x 表示链轮参数数值。通过抛物线拟合方程对 4 个链轮参数进行各自极值求解，可得每个链轮参数的极值点（x/mm）、极值（y/MPa），分别为：C1（44.73、271.16）；C2（82.96、250.83）；C3（29.26、243.23）；C4（38.47、723.18）。1.4牵引块双齿轮链轮材料选择牵引块双齿轮链轮材料也是影响采煤机整体性能的关键因素之一。现有采煤机链轮材料为进口材料，该材料拉伸强度无法满足薄煤层煤炭资源开采的需求，因此将牵引块双齿轮链轮材料优化为 18Cr2Ni4W（高强度中合金渗碳钢），两种材料构成成分对比情况如表 2 所示。（a）齿轮零件模型（b）链轮零件模型图 1薄煤层采煤机齿轮零件模型和链轮零件模型半轴 轮毂 链轮 法兰 双头螺栓圆盘挡板螺母图 2改进后链轮连接示意图表 1结构优化前后轴承载荷对比轴承类型优化前圆锥滚子轴承优化后调心滚子轴承额定静载荷/kN13401530额定动载荷/kN11401220寿命/h78009700134-第 51 卷第 5 期0.60.50.40.30.20.10转速/（r min-1）图 4不同转速下改进前后链轮结构磨损失重数据40 80 120 160 200改进前链轮结构改进后链轮结构表 2链轮材料构成成分对比材料改进前进口材料改进后 18Cr2Ni4W单位：%棕（C）0.080.130.130.19棕（Si）0.150.350.170.37棕（Mn）0.450.600.300.50棕（W）00.801.10棕（Cr）1.421.701.301.60棕（Ni）3.253.704.004.50棕（P）0.020.01棕（S）0.020.01如表 2 所示：改进前后链轮材料构成成分基本一致，但是每种成分的占比都发生变化，从而导致材料对应的机械性能也存在着较大的差异。牵引块双齿轮链轮材料的抗拉强度对采煤机机械性能起着决定性作用。通过对改进前后链轮材料的抗拉强度进行测试及计算，获得材料机械性能对比情况，如表 3 所示。如表 3 数据所示：通过链轮材料的改进，使链轮抗拉强度明显得到了提升，进而可以有效提升采煤机的机械性能。2验证实验与结果分析为了验证薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构优化设计效果，进行了实验验证。2.1耐磨性验证实验链轮结构耐磨性直接影响着采煤机的使用效果与使用时间，因此采用 MMU-5G 销盘式磨损装置对链轮结构进行耐磨性实验，以验证链轮结构优化设计效果。在实验过程中，链轮结构磨损是一个动态过程，主要划分为三个阶段，分别为磨合期、稳定期和失效期，不同阶段摩擦系数也会发生较大的变化，具体见图 3。如图 3 所示：磨合期的摩擦系数随着滑动行程的加大而急剧上升；稳定期的摩擦系数维持在一定范围内；失效期的摩擦系数忽高忽低，呈现极度不稳定状态。2.2验证实验结果分析为了验证相关理论，分别以不同载荷、不同转速作为自变量，以链轮结构磨损失重作为因变量进行实验。常规情况下，链轮结构磨损失重数值越小，表明链轮结构耐磨性越好，采煤机使用效果越佳，使用时间越长；反之，链轮结构磨损失重数值越大，表明链轮结构耐磨性越差，采煤机使用效果越差，使用时间越短。当自变量为不同载荷时，通过实验获得链轮结构磨损失重数据，如表 4 所示。如表 4 数据所示：随着载荷的增加，链轮结构磨损失重呈现逐渐上升的趋势。与结构优化前比较，优化后链轮结构磨损失重数值更小。当自变量为不同转速时，通过实验获得链轮结构磨损失重数据，如图 4 所示。如图 4 数据所示：随着转速的增加，链轮结构磨损失重呈现先减小后增大的趋势。与优化前相比较，表 3改进前后链轮材料机械性能对比热处理方式渗碳淬火渗碳淬火材料改进前进口材料改进后18Cr2Ni4W伸长率/%11.012.5断面收缩率/%4445冲击功/J6378抗拉强度/MPa116012900.60.50.40.30.20.1050 100 150 200 250 300磨合期稳定期失效期滑动行程/m图 3不同阶段链轮结构摩擦系数随滑动行程的变化表 4不同荷载下链轮结构磨损失重数据载荷/N2030405060708090改进前失重/g0.0650.1580.1980.2510.2940.3020.3510.401改进后失重/g0.0290.1320.1680.2020.2300.2580.2600.281李金生等：薄煤层采煤机牵引块双齿轮链轮结构优化设计135-2023 年煤 化 工优化后链轮结构磨损失重数值更小。上述验证实验数据表明：相较于优化前链轮结构，在不同载荷与不同转速背景下，优化后链轮结构磨损失重数值更小，说明优化后链轮结构耐磨性更好，充分验证了链轮结构优化效果。3结语通过对采煤机链轮结构及其材料进行重新选择和参数优化，可解决采煤机单链轮结构直接驱动磨损严重的问题。验证实验结果表明：改进后链轮结构耐磨性得到了明显提升，有效提高了采煤机的使用效果和时间，可为采煤机改造升级相关研究提供一定的借鉴，具有较高的推广应用价值。参考文献：1 GAO K D，DU C L，LIU S Y，et al.Research on the fac-tors of the abnormal wear of shearer忆pick holderJ.AdvancedScienceLetters，2012，13（1）：739-743.2 刘春生，靳立红.基于截槽非对称条件镐形截齿的截割力学模型J.煤炭学报，2009，34（7）：983-987.3 葛世荣.采煤机技术发展历程（三）电牵引采煤机J.中国煤炭，2020，46（8）：1-15.4 田震，荆双喜，赵丽娟，等.薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究J.河南理工大学学报（自然科学版）,2020，39（2）：80-84，109.5 翟雨生，史春祥，吕晓，等.薄煤层滚筒式采煤机发展现状及关键技术J.煤炭工程，2020，52（7）：182-186.6 章立强.较薄煤层采煤机摇臂结构与装载效果研究J.煤炭技术，2021，40（5）：149-151.7 尚存正.薄煤层电牵引采煤机的技术改进J.机械管理开发，2020，35（6）：171-172，189.8 韦玮，肖建国.连续采煤机轴链轮结构设计的改进及加工工艺J.煤矿机械，2007，28（7）：133-134.9 王昌福.边双链型刮板输送机驱动链轮参数的正交优化设计J.煤矿机械，2020，41（6）：126-129.Structure optimization design of double gear sprocket of traction block in thin coal seam shearerLi Jinsheng,Xue Jun,Li Hu(High-end Equipment Research and Development Center,Shendong Coal Group,CHN Energy Group,Shenmu Shaanxi 719315,China)AbstractIn order to solve the problem of the use effect and service life of the coal shearer being affected by the wear ofthe sprocket structure,an optimization design was carried out for the double gear sprocket structure of the traction block of thethin coal seam shearer.Firstly,a three-dimensional model of the thin coal seam shearer was constructed using the CATIAsoftware,and the sprocket structure was optimized into an integrated structure through the digital assembly and interferenceinspection,changing from a single sprocket direct drive to a double sprocket indirect drive.Then,the orthogonal optimizationdesign method was used to optimize parameters.Finally,the material composition formula was optimized to 18Cr2Ni4W(high-strength medium-alloy carburized steel).The validation experiment results showed that after optimizing the sprocket structure,the weight loss value of the sprocket structure under different loads and rotation speeds was reduced,which could effectivelyimprove the coal mining efficiency and service life.Key wordsthin coal seam;shearer;traction block;double gear sprocket;orthogonalization;optimization design关爱人类环境 倡导绿色文明136-