曹 宇

（山西潞陽(yáng)投資有限公司昌泰煤業(yè)有限公司，山西晉中 045400）

0 引言

采煤機(jī)搖臂利用傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)向截割滾筒提供動(dòng)力，從而完成破煤、落煤等一整套操作，該設(shè)備在采煤機(jī)中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。采煤機(jī)搖臂內(nèi)部安裝的傳動(dòng)系統(tǒng)一般都運(yùn)用兩級(jí)行星和兩級(jí)直齒輪來(lái)發(fā)揮減速作用，作為一種末級(jí)減速機(jī)構(gòu)，行星機(jī)構(gòu)承擔(dān)著較大的輸出扭矩，并且利用浮動(dòng)油封設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)封油的目的。由于行星機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中不具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)漏油的問(wèn)題，因此本文對(duì)行星機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，對(duì)浮動(dòng)油封及圓錐滾子軸承運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最后優(yōu)化改良了其裝配工序。

1 大功率采煤機(jī)搖臂行星機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

圖1 行星機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備大多采用雙排圓錐滾子軸承來(lái)作為輸出端，將浮動(dòng)油封的構(gòu)造設(shè)定為DO型，采取雙錐及圓柱兩類軸承來(lái)精確定位行星機(jī)構(gòu)，如圖1所示。其中行星機(jī)構(gòu)所受到的力大部分都由雙排圓錐滾子軸承所承擔(dān)，此時(shí)浮動(dòng)油封所發(fā)揮的作用就是密封。作為行星機(jī)構(gòu)的核心構(gòu)成，浮動(dòng)油封及雙排圓錐滾子所具有的穩(wěn)定性將會(huì)對(duì)行星機(jī)構(gòu)造成較大的影響。

2 雙排圓錐滾子軸承的穩(wěn)定性

雙排圓錐滾子軸承存在的初始游隙是最主要的參數(shù)，對(duì)行星機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行造成了影響。其軸向游隙的數(shù)值越大，軸承所發(fā)生的偏移量及竄動(dòng)量將會(huì)越大。若存在較大的竄動(dòng)量時(shí)，浮動(dòng)油封將會(huì)出現(xiàn)過(guò)松或過(guò)緊的問(wèn)題，過(guò)緊將會(huì)造成嚴(yán)重的磨損、O 形圈受熱損壞等故障，間接造成漏油問(wèn)題的產(chǎn)生；過(guò)松將會(huì)造成泄漏問(wèn)題的發(fā)生。因此，積極提升行星機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)游隙進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免軸承出現(xiàn)嚴(yán)重的偏移和竄動(dòng)，盡可能避免浮動(dòng)油封出現(xiàn)漏油問(wèn)題[1]。

2.1 軸承的承載能力、壽命及變形

根據(jù)軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況，在對(duì)其進(jìn)行分析的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)各個(gè)溫差下的變形程度、軸承的承擔(dān)水平及偏移量進(jìn)行分析。由分析結(jié)果可知，在該工況下，軸承的可使用壽命及所能承載的能力可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；但如果存在過(guò)大的游隙，軸承就會(huì)出現(xiàn)較大的偏移量及變形量。

2.2 軸向游隙的合理性

軸承所存在的游隙類型主要有軸向和徑向2 種，其關(guān)系如下：

式中：Δa為軸向游隙，mm；Δr為徑向游隙，mm；α 為軸承接觸角，（°）；e為軸承的計(jì)算系數(shù)。

由式（1）可知，軸向及徑向兩種游隙呈現(xiàn)出正相關(guān)性，通過(guò)對(duì)軸向游隙進(jìn)行嚴(yán)格的控制，就可以實(shí)現(xiàn)徑向游隙的控制。

2.3 軸承內(nèi)、外圈徑向及軸向游隙的有效性

（1）行星架、軸承座及滾筒連接套與軸承存在一定的關(guān)系，對(duì)于這些部件出現(xiàn)的材質(zhì)過(guò)軟問(wèn)題，可以通過(guò)加強(qiáng)材質(zhì)的硬度來(lái)進(jìn)行改善；

（2）為了使軸承內(nèi)圈不會(huì)因受熱膨脹而與行星架產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)，內(nèi)圈應(yīng)當(dāng)更完美地配合行星架；

（3）嚴(yán)格控制滾筒的連接套及壓蓋的尺寸，避免軸承內(nèi)、外圈產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)問(wèn)題；

（4）將軸承座的尺寸進(jìn)行更換，擴(kuò)大外圈的接觸面積，確保軸承維持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 內(nèi)、外圈匹配度的控制

雙列圓錐滾子軸承外圈是一個(gè)整體，內(nèi)圈則由3 部分構(gòu)成，即上半、下半和中間格圈。由于生產(chǎn)制造中存在誤差，與外圈形成配合的上、下內(nèi)圈不能更換，因此，軸承生產(chǎn)商必須在內(nèi)、外圈做好標(biāo)記，即Ⅰ、Ⅱ面，在安裝及應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)確保內(nèi)、外圈相對(duì)應(yīng)，以避免軸承游隙因其配對(duì)失誤而發(fā)生改變，進(jìn)而影響到行星機(jī)構(gòu)的整體使用。

2.5 擰緊力矩

根據(jù)要求的擰緊力矩來(lái)預(yù)緊滾筒連接套、壓蓋及二級(jí)行星機(jī)構(gòu)中的螺栓，滾筒連接套與壓蓋應(yīng)直接作用于軸承的內(nèi)、外圈上，其預(yù)緊力的大小將會(huì)對(duì)軸承的穩(wěn)定運(yùn)行造成直接的影響。另一方面，在搖臂的整體運(yùn)行中，行星機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)其造成了直接的影響，因此必須嚴(yán)格遵照要求力矩來(lái)擰緊以上3個(gè)機(jī)構(gòu)的螺栓及螺釘。

3 浮動(dòng)油封的可靠性

裝配難度大是DO 型浮動(dòng)油封實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的問(wèn)題，特別是處于作業(yè)面照明較差、空間不足及工具不完善的背景下，其裝配的難度更大，更加無(wú)法達(dá)到預(yù)期的裝配效果。為此，本文提出了下列幾點(diǎn)改善措施。

（1）運(yùn)用分體式結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)滾筒聯(lián)接套、壓蓋與浮動(dòng)油封的底腔。圖2 所示為浮動(dòng)油封的分體式結(jié)構(gòu)，不僅有助于浮動(dòng)油封底腔的生產(chǎn)與質(zhì)檢，而且有利于滾筒聯(lián)接套與壓蓋的生產(chǎn)制作，同時(shí)又可以避免因底腔受損而更換壓蓋及聯(lián)接套，極大節(jié)省了資源。在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，可以將浮動(dòng)油封裝配在地面上，礦井下應(yīng)當(dāng)采用O 形圈來(lái)進(jìn)行密封、聯(lián)接螺釘?shù)?，使浮?dòng)油封的安裝難度降低，安裝效果得到改善[2]。

（2）當(dāng)行星機(jī)構(gòu)發(fā)生偏載問(wèn)題時(shí)，滾筒聯(lián)接套與壓蓋之間將會(huì)出現(xiàn)磨損問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)擴(kuò)大浮動(dòng)油封的迷宮槽間隙。

（3）嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)注浮動(dòng)油封的溝槽，并加強(qiáng)檢測(cè)。對(duì)滾筒連接套及壓蓋浮動(dòng)油封溝槽進(jìn)行嚴(yán)格地檢測(cè)，確保浮動(dòng)油封具有穩(wěn)定有效的外界應(yīng)用條件。圖3所示為浮動(dòng)油封溝槽的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)（x2，t1），（x2，t2）的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)，可間接取得溝槽的角度，即：

式中：x1為測(cè)量點(diǎn)1橫向尺寸，x2為測(cè)量點(diǎn)2橫向尺寸，t1為測(cè)量點(diǎn)1徑向尺寸，t2為測(cè)量點(diǎn)2徑向尺寸。

圖2 分體式浮動(dòng)油封座腔結(jié)構(gòu)

圖3 浮動(dòng)油封溝槽的檢測(cè)

（4）采用格茨丁晴橡膠材質(zhì)來(lái)制作浮動(dòng)油封。浮動(dòng)油封所具備的性能主要與構(gòu)造、材質(zhì)及廠商存在一定的關(guān)系。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)及實(shí)踐可知，丁晴橡膠、氫化丁晴橡膠O 形圈與采煤機(jī)的應(yīng)用需求基本一致，具備較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性；高鉻合金鑄鐵浮封環(huán)因其具備較高的潤(rùn)滑油吸附性而形成了較高的耐磨性，其優(yōu)勢(shì)要大于鋼浮封環(huán)；通過(guò)開(kāi)展一系列的試驗(yàn)可知，對(duì)于浮動(dòng)油封所具有的性能而言，德國(guó)格茨廠家的產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)[3]。因此，現(xiàn)階段所使用的浮動(dòng)油封大多來(lái)自于德國(guó)某公司。

4 二級(jí)行星機(jī)構(gòu)裝配工藝

在行星機(jī)構(gòu)中安裝的各個(gè)部件及雙列圓錐滾子軸承和浮動(dòng)油封進(jìn)行相應(yīng)的分析及優(yōu)化之后，為了不斷提高行星機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，針對(duì)裝配階段存在的核心環(huán)節(jié)及應(yīng)當(dāng)重視的問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的裝配指導(dǎo)文件，用來(lái)改善行星機(jī)構(gòu)的工序、提高質(zhì)量控制點(diǎn)尋找的精確性及確定裝配階段應(yīng)當(dāng)重視的問(wèn)題[4]。

4.1 雙列圓錐滾子軸承的檢測(cè)

在行星機(jī)構(gòu)中，該軸承是其關(guān)鍵部件，其是否具備穩(wěn)定的運(yùn)行將會(huì)對(duì)行星機(jī)構(gòu)的有效性造成影響。通過(guò)對(duì)該軸承進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)來(lái)增強(qiáng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。如圖4所示。根據(jù)圖中所顯示的軸承尺寸，可以計(jì)算出軸向油隙[5]。

圖4 雙列圓錐滾子軸承的檢測(cè)

4.2 雙列圓錐滾子軸承內(nèi)外圈的防跟轉(zhuǎn)

該軸承在運(yùn)行的過(guò)程中，其內(nèi)、外圈處于固定狀態(tài)，而對(duì)于外界溫度對(duì)其造成的影響可以利用游隙的控制來(lái)完成，因此在裝配的過(guò)程中確保軸承內(nèi)、外圈的緊固是其關(guān)鍵點(diǎn)。確保外圈保持緊固的尺寸如圖5所示，對(duì)行星架的高度L1、軸承座的深度尺寸L2、壓蓋的高度L3進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量及記錄，結(jié)果顯示L3＞L2-c1，以確保軸承外圈完成裝配之后保持壓緊狀態(tài)[6]。

圖5 保證軸承外圈緊固的相關(guān)尺寸示意圖

軸承外圈若要取得較好的安裝效果，則需要運(yùn)用尺寸合理的零件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而為了確保內(nèi)圈的安裝效果，則需要通過(guò)在安裝過(guò)程中進(jìn)行逐步測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，安裝過(guò)程必須保證外圈的穩(wěn)定，其尺寸如圖6所示，L4為下列內(nèi)圈的安裝高度，L5為上列內(nèi)圈的安裝高度。在安裝內(nèi)圈的時(shí)候，通過(guò)將上、下內(nèi)圈的裝配高度進(jìn)行測(cè)量比較，即L5和L1-H、L4和L1-h1之間存在的差值，明確其是否位于可控的區(qū)域之內(nèi)，以確保軸承內(nèi)圈得到科學(xué)地安裝[7]。

圖6 保證軸承內(nèi)圈緊固的尺寸示意圖

4.3 浮動(dòng)油封尺寸的明確及比壓測(cè)試

為了使浮動(dòng)油封維持有效運(yùn)行，必須對(duì)其溝槽進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量，另外，在實(shí)際裝配的過(guò)程中，通常都需要對(duì)浮動(dòng)油封所形成比壓進(jìn)行模擬分析來(lái)適當(dāng)調(diào)整工作油壓，其比壓的示意圖如圖7所示。

圖7 浮動(dòng)油封比壓實(shí)驗(yàn)示意圖

浮動(dòng)油封的比壓：

式中：m為配重的質(zhì)量，kg。

針對(duì)軸承壓蓋與滾筒聯(lián)接套的安裝，應(yīng)詳細(xì)檢測(cè)及記錄配重前后的高度差，即E＝L7-L8+C，可以對(duì)浮動(dòng)油封存在的比壓進(jìn)行校核，判斷是否與設(shè)計(jì)要求相一致[8]。

4.4 行星機(jī)構(gòu)裝配過(guò)程中的實(shí)際間隙測(cè)量

在實(shí)際裝配的過(guò)程中，通過(guò)將滾筒聯(lián)接套所具有的支撐面高度L6、壓蓋的高度L9和上列內(nèi)圈的高度L5進(jìn)行檢測(cè)與記錄，可以得出行星機(jī)構(gòu)完成裝配之后的實(shí)際間隙，即L6+L9-L5，其間隙的檢測(cè)如圖8所示。L9為軸承壓蓋高度。

圖8 裝配間隙的測(cè)量

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述的研究及優(yōu)化，針對(duì)某個(gè)時(shí)間段的行星機(jī)構(gòu)實(shí)施追蹤，對(duì)各個(gè)行星機(jī)構(gòu)的裝配過(guò)程進(jìn)行全程追蹤，并對(duì)后期的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，其中包含產(chǎn)量、行星機(jī)構(gòu)的故障問(wèn)題等。根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，搖臂行星機(jī)構(gòu)在經(jīng)過(guò)優(yōu)化并投入應(yīng)用之后，滾筒聯(lián)接套在與壓蓋相互摩擦的過(guò)程中并未產(chǎn)生磨損狀況，浮動(dòng)油封的運(yùn)行也沒(méi)有出現(xiàn)故障，效果較好。