朱信平

(天地科技有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

陕西一特厚煤层工作面最新投入使用，该综采工作面长270 m，采高约7 m，煤质硬度约f5，煤层赋存较浅，矿压较小。

图1为综采工作面煤层情况。从图1中可看到煤层节理缜密，无偏帮现象，无夹矸，倾角和俯仰角都较小，工作面近水平。但在生产过程中,出现采煤机滚筒联接螺栓松动断裂的情况，具体为压紧滚筒的12.9级M30规格的螺栓全部松动，部分断裂。图2为断裂螺栓图。为保障安全生产，认真分析了故障原因，并进行了改进修复。

(a)

(b)

1 采煤机行星机构定位原理和受力分析

采煤机割煤过程中，滚筒连带滚筒联接套主要受到轴向力(F1、F2)、扭矩(M1、M2、M3)作用[1]，如图3所示。其中:F1主要为斜切时反向推力;F2主要为装煤反向推力;M1主要为截割反力产生的扭

(a)

(b)

(a)

(b)

矩;M2主要为斜切反力产生的扭矩;M3主要为装煤反力产生的扭矩。

图4为采煤机行星机构的结构。F1主要由双列圆锥滚子轴承承载[2];F2主要由12条12.9级的M30×2×155螺栓承载;M1主要由花键承载;M2和M3主要由定位面1、定位面2和双列圆锥滚子轴承承载。

图4 行星机构结构

2 故障原因分析

经过对现场故障情况的分析，螺栓拉伸变形断裂，导致故障发生的可能性较大。主要判断依据为：

1) 螺栓损坏形式多为拉伸断裂。

2) 螺栓损坏后，易造成后续一系列故障。

3) 左滚筒护板拆开后发现一根螺栓断裂，可能为故障的初期表现。

4) 若花键凸出段先掰裂，而后造成螺栓损坏，则螺栓不会有拉伸断裂的现象。

可能发生的故障过程是在螺栓受力不均的状况下，某个或某几个螺栓受力较大而发生疲劳断裂，随后其余螺栓以相似方式逐个断裂，滚筒带着滚筒联接套沿花键方向不断串动，造成花键掰裂、损坏，最终可能导致滚筒连带滚筒联接套掉落。

3 螺栓受力分析和计算

3.1 受力分析

在采煤机正常割煤过程中，滚筒的装煤反力直接传导至螺栓，尤其下滚筒受力较大，在机器启动和大煤块产生时，螺栓会受到较大冲击力。

在采煤机斜切过程中，滚筒受到指向采空侧的极大轴向力和沿顺时针方向的巨大扭矩，滚筒联接套有轴向移动和沿顺时针摆动趋势，如图5所示。滚筒带着滚筒联接套产生微小摆动，作用到螺栓上即为一定的拉伸量。

图5 采煤机斜切进刀示意图及滚筒联接套摆动趋势

3.2 螺栓受力计算

在定位面完好，螺栓未松动的情况下,按滚筒叶片角度16°计算；截割功率1 000 kW，截割功率的15%用于装煤[3]；摇臂转速28 r/min；滚筒直径3.6 m。

滚筒圆周最大线速度v：

v=3.14×3.6×28/60=5.3 m/s

(1)

最大装煤反力F：

F=0.15×1 000/(5.3×tan16°)=99 kN

(2)

经查设计手册，12.9级M30×2×155螺栓载荷为602 kN。可判断在正常工作情况下，螺栓载荷足够承载装煤反力。

假设定位面损坏，螺栓松动，则某一个螺栓单独受力状态F1：

F1=F×L/L1=99×1 960/350=554 kN

(3)

由以上可看出，若定位面加工偏差较大或损坏，则螺栓紧固不均匀或预紧力不足，在使用过程中螺栓逐渐松动。某个螺栓的受力达到其材料极限值，在频繁冲击的条件下，很有可能会出现塑性变形,进而出现疲劳断裂的情况。 这也同初期判断相吻合，从理论上得到了解释。

4 故障分析结果和改进方法

4.1 故障原因

从设计上，结构形式和螺栓的选型满足使用要求，但发现螺栓在断裂之前先发生了松动现象，需要改进螺栓的预紧防松性能。为进一步提高行星机构的可靠性，螺栓的选型应改用更大规格，这样可避免因定位面损坏致使螺栓受力达到极限而断裂的情况。

4.2 改进方法和建议

1) 螺栓材料由42CrMo改为40CrNiMoA，提高其强度和韧性。

2) 增大故障螺栓的规格，由M30×2改为M36×3。

3) 采用碟簧垫圈，并配置扭矩扳手，保证每个螺栓的紧固扭矩都达到3 500 N·m。

4) 增加定位面长度，提高定位能力。

5) 避免滚筒频繁带负载启动。

6) 由于煤层厚度大，煤质硬度高，应合理设置斜切进刀距离和斜切速度[4]。