采煤机整体式牵引链轮的开发与应用

裴陆慧

（沁和能源集团有限公司永红煤矿， 山西 晋城 048205）

1 工程概况

沁和能源集团有限公司永红煤矿3507 综采工作面位于五采区东翼，主要开采3 号煤层，煤层厚度2.28～6.33 m，平均煤厚4.95 m，煤层倾角5°～22°，平均倾角15°。3507 工作面采用进口JOY 7LS6C 型采煤机落煤装煤、SGZ764/400 型前部刮板运输机和SGZ800/630 后部刮板运输机运煤、ZF7200/20/32 型低位放顶煤支架进行工作面支护和放煤。循环进度为0.6 m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距为0.6 m，采用自然垮落法管理采空区顶板。

采煤机链轮是采煤机重要零部件，负责采煤机的行走。目前国内外采煤机链轮均为分体式结构，其中永红煤矿采用的进口JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮，对于煤层较硬、割岩割矸冲击载荷较大工作面及采煤机链轮承受较大轴向力时，采煤机链轮承载能力不足，圆柱销断裂，螺栓剪断，轴承散架，链轮分体。因此，采煤机牵引链轮损坏后需停机检修，影响到综采工作面的工作效率，同时也增加了工作人员的作业安全隐患，有必要对JOY 7LS6C 型采煤机原链轮进行全面设计改进，开发了一种整体式牵引链轮，有效的提高了采煤机链轮的使用寿命，提高了采煤机链轮质量的可靠性和稳定性[1-2]。

2 JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮结构及存在的问题分析

2.1 采煤机牵引链轮结构

永红煤矿采用的进口JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮采用分体式结构。该分体式牵引链轮的根齿轮与齿轨轮采用轴与盲孔间隙配合安装，通过4 个Φ25.4mm圆柱销传递扭矩，实现采煤机行走。采用2 盘圆锥滚子轴承，在齿轨轮内孔中面对面使用，采用4 个定位销进行定位，齿轨轮与根齿轮采用12 条M30-12.9 级螺栓进行紧固。牵引链轮12 条M30 螺栓连接轮体并压紧圆锥滚子轴承外圈，轴承内圈通过轴承端盖与轴套螺纹配合紧固压紧。

2.2 采煤机牵引链轮存在的问题

3507 综采工作面3 号煤层较硬、工作面倾角变化较大，JOY 7LS6C 型采煤机在割岩割矸时因采煤机机道不平等因素，导致承受较大冲击载荷，特别是当采煤机链轮承受较大轴向力时，采煤机链轮承载能力不足，进行发生圆柱销断裂、螺栓剪断、轴承散架、链轮分体等问题，如图1 所示。3507 综采工作面采煤机牵引链轮常发生链轮分体情况，每次必须更换新链轮，影响工作面开采效率[3]。

图1 JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮损坏示意图

3 采煤机牵引链轮损坏原因分析

进口JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮常发生断齿及分体损坏，其原因分析如下：

3.1 采煤机牵引链轮断齿原因分析

1）牵引链轮本体存在严重缺陷。链轮本体锻造工艺未控制好，锻造时产生裂纹、折叠、折皱、白点等异常情况，使得链轮本体存在缺陷；当链轮承载超限时，链轮本体缺陷处易产生应力集中发生应力裂纹，过而使得牵引链轮断齿。

2）齿根部存在应力集中及齿轮芯部硬度过低。齿轮加工时，当齿根部及齿廓圆角过渡较小时存在应力集中，这样齿根圆角的地方就一定会因长时间使用产生裂纹，进而导致轮齿断裂；牵引链轮进行调质工艺时管控不当会导致齿轮芯部硬度过低，当载荷过大会导致轮齿产生裂纹断裂。

3.2 采煤机牵引链轮分体原因分析

1）牵引链轮轴向预紧力不足。JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮为螺栓轴向固定承受轴向力，当承受的轴向力较大导致牵引链轮轴向预紧力不足时，固定螺栓会发生变形和断裂，从而链轮分体。

2）采煤机牵引链轮外部轴向力因素导致链轮分体。主要有：采煤机采用斜切进刀工况下，链轮可产生较大轴向力；采煤机支撑滑靴、导向滑靴严重磨损，牵引链轮与销排侧面干涉，链轮可产生较大轴向力；遇到冲刷、断层等构造，该工况下采煤机作业链轮可产生较大轴向力[4]。

3）内部轴向力因素导致链轮分体。JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮采用2 盘圆锥滚子轴承，易产生较大轴向力；圆锥滚子轴承在安装时需调整工作游隙，工作游隙过大或过小都会直接影响轴承使用寿命。

4 采煤机整体式牵引链轮的开发设计

通过对JOY 7LS6C 型采煤机链轮结构及分体原因分析基础上，对采煤机链轮进行全面设计改进，开发设计了一种采煤机整体式牵引链轮[5]。

4.1 采煤机整体式牵引链轮开发设计方案

1）改变原链轮根齿轮与齿轨轮分体式设计，根齿轮与齿轨轮采用过盈配合安装，根齿轮和齿轨轮止口接触面焊接，保证链轮整体结构强度。

2）采煤链轮轴承由圆锥滚子轴承改为调心滚子轴承，彻底解决内在轴向力问题。

3）为国内煤炭行业解决采煤机链轮分体提供技术方案。

4.2 采煤机整体式牵引链轮开发设计关键技术

结构方面：将原采煤机链轮根齿轮和齿轨轮使用的连接螺栓固定结构改为过盈安装加焊接结构，通过过盈内应力和焊接固定保证链轮整体强度，从结构上避免链轮分体情况。改进设计后的牵引连接方式如图2 所示。

图2 改进后的牵引连接方式

材质方面：链轮采用18C2N4W 材质，提高了链轮的整体强度、渗碳深度和表面硬度，提高了链轮的可靠性。

4.3 采煤机整体式牵引链轮开发设计工艺流程

采煤机整体式链轮根齿轮需加热，齿轨轮需冷冻进行装配，焊接采用焊前预热、焊后保温处理，去除焊接应力。在各零配件尺寸检测合格的条件下装配，保证链轮合理过盈量，通过根齿轮与齿轨轮过盈产生内应力及焊接力满足链轮正常使用所需的扭矩传递。

5 实践应用效果及效益分析

5.1 实践应用效果分析

采煤机整体式牵引链轮完成开发设计及制造后，于2022 年5 月在永红煤矿3507 综采工作面JOY 7LS6C 型采煤机上进行了安装调试，并投入实践应用当中。从2022 年5 月至今，采煤机及牵引链轮整体运行稳定，牵引链轮断齿、分体等异常损坏情况未出现，对于煤层较硬、割岩割矸冲击载荷较大的3507 综采工作面及采煤机链轮承受较大轴向力时采煤机整体牵引链轮均可正常工作，使用效果理想。

采煤机整体式牵引链轮应用前后主要涉及指标对比分析：整体式牵引链轮使用前相关指标值，原采煤机链轮分体概率约10%，大大影响了综采工作面高效回采工作；整体式牵引链轮使用后相关指标值，整体式链轮连接可靠，解决了链轮分体问题，链轮使用寿命提高30%。

先进性及创新性分析：采煤机整体式链轮是一种全新结构设计形式，通过对原采煤机链轮结构分析，具体创新如下：改变原链轮根齿轮与齿轨轮分体式设计，根齿轮与齿轨轮采用过盈配合安装，根齿轮和齿轨轮止口接触面焊接，保证链轮整体结构强度；采煤机链轮轴承由圆锥滚子轴承改为调心滚子轴承，彻底解决内在轴向力问题。

5.2 效益分析

原进口JOY 7LS6C 型采煤机牵引链轮采购价格为34.7 万元，每次链轮分体需更换新链轮。而设计的采煤机整体式牵引链轮价格为12.4 万元，每台JOY 7LS6C 型采煤机一个大修周期平均使用12 件链轮，链轮分体占比约10%，采用采煤机整体式牵引链轮，1台采煤机可节约费用22.3 万元。按照公司在用JOY 7LS6C 型采煤机12 台计算，整体式牵引链轮可节约267.6 万元。

另外，采用采煤机整体式牵引链轮可降低采煤机的故障频次，提高生产效率，降低企业生产成本、维修成本，为企业安全高效生产提供保障。