采煤机截割部过载保护方式研究

王俊鑫

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

采煤机是现代煤矿生产中最常用的采煤设备，截割部作为与煤壁直接接触的部位，其工作中遇到的切割对象随地质变化而变化。切割时若遇到岩石或者矸石含量不同，采煤机截割部就会发生故障，采煤机的截齿可能断裂，截割电机也可能烧毁。为了应对各种各样的截割部过载，采煤机的截割电机和传动装置中设置了多道保护元件，防止造成采煤机故障，影响煤炭生产，甚至可以避免人员伤亡事故[1]。采煤机截割部的过载保护分为电气保护和机械保护，以电机过热保护和过流保护、限矩器保护和扭矩轴保护为研究对象，研究了采煤机截割部过载保护原理，对采煤机运行和维护具有一定意义。

1 过热保护

过热保护又称为温度保护，是一种针对截割电机温度的保护机制。一般截割电机本身就自带过热保护，在电机绕组内部串联了热敏元件，这些热敏元件在正常情况下阻值很低，相当于通路，当截割电机长期工作在额定功率以上时，电机腔体的温度升高，热敏元件的阻值迅速上升，最终呈现高阻状态，这时断开电机电源，实现截割电机过热保护。根据热敏元件的种类不同，过热保护可分为PTC 热敏电阻、PT100温度传感器和双金属片温度继电器。这些元件被装设在截割电机的绕组或轴承盖上，当电机发生过电流或电压和过载等情况时，电机的绕组和轴承会发热，此类信号传递到控制截割电机的PLC 上，PLC 就会发出切断电机电源的动作指令，动作指令通过断路器控制回路控制，断路器断开电机电源，实现过热保护[2]。

截割电机过热保护工作原理：以双金属片温度继电器为例，当电机出现过载电流时，热保护里的双金属片会发生弯曲，因为2 个金属片通过电流超过设定电流后，发热系数就会不一样，在双金属片上机械连接一个常闭触点，因为弯曲而动作，常闭点是串联在动力电路的交流接触器中，所以热保护常闭点动作，交流接触器线圈断电，主回路同时没电，电机得到保护。

2 过流保护

截割电机过流保护工作原理：过流保护指的是当电机的电枢电流超过额定电流一定范围内长时间工作时，通过保护电路将电机电源断开的保护的措施。采煤机正常切割煤炭时，截割电机定子绕组形成的旋转磁场拖动转子旋转，而转子中感应电流所产生的磁场也在定子绕组感应出反电动势，这是消耗电压的主要部分。当采煤机遇到坚硬的岩石，截割头堵转，反电势为0，电机只有其自身的电阻和电感，所有电压都加载在绕组上，电枢电流会急剧增加[3]。

过流保护的整定：根据截割电机容量的大小和加工工艺不同，堵转电流一般为电机额定电流的4 倍以上。截割电机的电流保护安全系数一般设置为2.5，电机的电枢电流在超过电机额定电流2.5 倍时电机电源跳闸。

3 限矩器保护

限矩器的工作原理：限矩器又称为摩擦式离合器，是一种限制最大输出力矩的机械装置。如下页图1 所示，限矩器的动力输入轴通过花键与电动机轴连接，动力输出轴通过花键与扭矩轴连接，向截割滚筒传递动力。输入轴和输出轴中间的法兰端面内装有调整螺母，在法兰盘靠近输出轴的一端有弹簧装置和摩擦片。通过调整螺母的松紧程度可以改变摩擦片可承受的最大力矩，当输出轴输入的力矩小于最大力矩时，摩擦片不产生滑动，输出力矩被传递到输入轴上；当输出轴输出的力矩大于最大力矩时，摩擦片产生滑动，输出力矩被限制在摩擦片上，保护截割电机不因为突变的力矩而产生过电流。

图1 摩擦式离合器的装配图

限矩器的安装位置：限矩器的安装位置比较灵活，一般有三种安装方法。一是安装在截割电机和减速器之间，这样安装的好处是动力和扭矩的传递比较合理，同时还能为连轴装置提供安装空间，增加传动系统的稳定性；二是安装在截割电机尾部，这样做的好处是减少传递能量的消耗；三是安装在一级齿轮的外侧，这样做可以提高能量传递的效率，但是连接的部分略显复杂。实际采煤机的限矩器安装可根据需要灵活设计。

限矩器保护的整定：每个调整螺母可以在摩擦片上施加的额定力矩为150 N·m，16 个调整螺母的额定力矩为2 400 N·m。在设定保护力矩时，要同时考虑限矩器保护的敏感性和安全性，将调整螺母的保护力矩设定在适当范围，并且要均匀分布在摩擦片四周，防止局部应力集中损坏摩擦片。限矩器保护的安全系数一般设置为3.75，摩擦片在承受力矩大于限矩器的额定扭矩3.75 倍时发生滑动。

4 扭矩轴保护

电机的温度保护和电流保护只能反映电机的工作状态，并不能直接反映传动系统的力学状态。限矩器能够隔离较大力矩，起到机械保护的作用，但是由于限矩器适用于冲击大、间歇性发生的过载情况，并且在摩擦片打滑时仍然存在一部分扭矩可以传动到下一级齿轮机构，所以限矩器保护也不能完全实现扭矩保护。扭矩轴是一种常用的过载保护和弹性缓冲的保护机构。

扭矩轴的工作原理：扭矩轴是位于减速器和摩擦式离合器之间的动力传动轴，其主要作用有传递扭矩、吸收冲击负载、过载保护等。如图2 所示，扭矩轴两端的外花键分别与摩擦式离合器和减速器连接，扭矩轴左边通过轴承和螺母与摩擦式离合器的输出轴推杆连接，右边与减速器齿轮连接，扭矩轴中间的最细点凹槽为卸荷槽，当采煤机切割到岩石等硬物时，扭矩轴瞬间承担突变力矩，从而在卸荷槽处断裂。离合器左侧手柄的作用是使扭矩轴与减速器齿轮断开连接，防止检修人员在检修采煤机动力装置时电机突然来电，造成人员伤害[4]。

图2 摩擦式离合器与扭矩轴的装配图

扭矩轴保护的整定：扭矩轴保护的安全系数一般设置为2，卸荷槽处的断裂扭矩为扭矩轴额定扭矩的2 倍。

5 结语

对于地质状况复杂的薄煤层煤矿来说，采煤机截割部切割岩石的情况越来越普遍，各种由于过载而发生的设备或人员事故也越来越多。结合矿场地质结构和采煤机设备的机械性能，合理地设置截割部保护显得尤其重要。截割部过载保护分为电气保护和机械保护两种，电气保护包括过热保护和过流保护，机械保护包括限矩器保护和扭矩轴保护。所有的保护起到的保护作用不同，保护范围也不同，实际工作中应当详细计算、综合考虑，使采煤机过载发生频率降到最低。