劉超華，蘇良碧，李卓明，鄭一健

（中煤平朔發(fā)展有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西朔州 036006）

0 引言

電牽引采煤機作為煤炭開采環(huán)節(jié)最重要的設備，可有效提高生產(chǎn)效率，降低開采風險，減輕勞動強度，縮短開采時間，是煤炭行業(yè)自動化、機械化的重點研究課題之一。采煤機外牽引機構(gòu)（鏈輪箱）普遍采用鏈輪-銷排的牽引形式，為開式齒輪傳動方式，在運行過程中由于缺乏有效的潤滑，同時工作環(huán)境惡劣、沖擊性負載大，因此在工作過程中經(jīng)常發(fā)生故障，包括齒軌輪損壞、導向滑靴斷裂等。外牽引機構(gòu)經(jīng)過長時間的磨損必須整體更換，嚴重影響綜采工作面的生產(chǎn)效率，同時給采煤機的維護使用造成很大的困難。

1 采煤機外牽引部組成結(jié)構(gòu)

采煤機牽引機構(gòu)分為內(nèi)牽引及外牽引兩部分，牽引電機的動力通過牽引部的各級齒輪最終傳遞給齒軌輪，帶動齒軌輪轉(zhuǎn)動；齒軌輪通過與銷軌嚙合的方式帶動采煤機在刮板機上沿固定的軌道直線行走，齒軌輪為采煤機輸出牽引驅(qū)動力。牽引機構(gòu)負責采煤機在割煤狀態(tài)下的移動與非工作狀態(tài)下的調(diào)動，同時還起到對采煤機支撐的作用。

由于采煤機自重及采煤過程中煤層阻力的原因，牽引機構(gòu)在正常割煤狀況下相當于拖著上百噸的負荷進行工作，在受到?jīng)_擊性負荷的情況下就會發(fā)生齒輪斷裂的情況。同時由于采煤機外牽引部采用的是開放式齒輪傳動機構(gòu)，綜采面工作環(huán)境極其惡劣，外牽引部的齒輪—銷軌結(jié)構(gòu)無法避免煤灰、粉塵、煤泥、煤渣等物質(zhì)的落入，潤滑效果大大降低，造成外牽引部各齒輪在嚙合的過程中阻力增大，增大了齒軌輪與銷軌的磨損程度。齒軌輪與銷軌的磨損進一步增大了外牽引機構(gòu)所承受的載荷力，設備低速運轉(zhuǎn)時也會受到重載荷的影響，這些因素都會造成外牽引機構(gòu)運行過程中接觸應力增大，導致齒輪疲勞、形變甚至產(chǎn)生裂紋，嚴重情況下會使齒軌輪與銷軌之間產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象，嚙合應力進一步增大，最終導致齒輪齒根斷裂。

通過對某公司井工礦采煤機故障率進行分析，進口采煤機外牽引部齒輪的使用壽命可達6 個月甚至更久，而國產(chǎn)采煤機齒輪的使用壽命只有3 個月左右。同時井下更換外牽引部齒輪的難度大，更換外牽引部需要拆掉輸送機、檔板和線槽，耗費工時15～20 h 才能完成更換工作，極大影響綜采工作面的生產(chǎn)效率，而外牽引部各齒輪的有效潤滑可顯著降低齒輪磨損與斷齒的發(fā)生率。本項目設計一套采煤機外牽引潤滑裝置，采用設置外置潤滑油箱滴油潤滑、打孔加裝注油嘴的方式，可有效解決采煤機工作過程中的潤滑問題。

2 牽引部潤滑機構(gòu)設計

采煤機外牽引部通過齒軌輪與輸送機的銷軌嚙合，使采煤機沿工作面左右移動。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是運行平穩(wěn)性良好，能很好地適應底板起伏、中心距和銷排節(jié)距的變化。但如果外牽引部各齒輪得不到有效的潤滑，就有可能出現(xiàn)齒輪點蝕、磨損、斷齒等常見的損壞現(xiàn)象。而采煤機采用人工不定期加注潤滑油的方式進行潤滑，不是持續(xù)性潤滑，如果潤滑不到位，將會對行走系統(tǒng)的齒輪造成嚴重的順滑。為此，提供一種針對艾柯夫采煤機行走部自動滴油潤滑裝置，該裝置能夠解決采煤機行走部無法潤滑驅(qū)動輪、中間輪和齒軌輪的問題，通過加裝此裝置，不僅可對行走部齒輪進行有效潤滑，延長齒輪壽命，而且還能提高經(jīng)濟效益。在裝置開發(fā)及制作后，將其應用在中煤平朔集團公司采煤機上，大大降低煤機行走部的損壞率，延長牽引部內(nèi)齒軌輪的壽命，降低了生產(chǎn)期間行走部的更換率，保證生產(chǎn)進度。

安裝外牽引滴油潤滑裝置技術(shù)要求：

（1）油箱的安裝位置要合理。為了防止異物刮蹭、損壞滴油潤滑裝置，在沒有高出采煤機體上表面的情況下，油箱的安裝位置要盡量高，以達到更好的潤滑效果。

（2）由于齒輪的轉(zhuǎn)動可以將潤滑油傳送至相連齒輪，因此注油嘴位置布置在外牽引頂部，但應正對被潤滑齒輪中部，便于形成較為完整的油膜，以增強潤滑效果。

（3）注油嘴滴油孔直徑應根據(jù)使用油品的黏度進行合理選擇，以滴油量20～30 滴/min 為宜。

（4）選用合適的潤滑油，使用專門的開齒潤滑油。

2.1 滴油潤滑裝置位置選取

采煤機牽引部由驅(qū)動輪、中間輪和齒軌輪組成，采用立式結(jié)構(gòu)，因此采用油箱上置的方式，潤滑油注入驅(qū)動輪、中間輪和齒軌輪上，完成潤滑作用。未安裝滴油潤滑裝置的采煤機行走部結(jié)構(gòu)如圖1a）所示。

圖1 采煤機行走部結(jié)構(gòu)

由圖1 可已看出，采煤機行走部由上至下的立式結(jié)構(gòu)分別由位于頂端的驅(qū)動輪、位于中間的中間輪和位于底部的齒軌輪組成，將油箱設置在行走部的頂部（圖1b），則潤滑油從油箱中滲出，隨著齒輪不斷旋轉(zhuǎn)和嚙合，由驅(qū)動輪流入中間輪，最后到達齒軌輪位置，因此油箱在行走部上方時可以實現(xiàn)潤滑3 種齒輪的效果。該設計不僅可以節(jié)省潤滑油，還能使?jié)櫥驮诿恳粋€輪齒上充分浸染、均勻潤滑，達到保護輪齒的目的。

2.2 滴油潤滑裝置油液選取

根據(jù)采煤機外牽引的結(jié)構(gòu)設計，專用的潤滑油選擇開齒潤滑油。特定的齒輪油需滿足多個技術(shù)要求：工作范圍廣，全年皆可使用；粘附性好，要在齒輪表面形成高黏性油膜，同時油膜要滿足厚度要求，可承受高溫、高壓、高振動要求；抗磨損和抗銹蝕能力強。最終確定潤滑脂選用克魯勃BE41-1005 低速重載潤滑脂，其黏度系數(shù)近似1500 mm2/s，滿足FAG 油脂類LG12 要求。參考潤滑油銷軸脂量經(jīng)驗公式，同時考慮齒輪尺寸以及油脂特性，確定油量約為12 mL。

2.3 滴油潤滑裝置結(jié)構(gòu)設計

滴油潤滑裝置設計為長方體容器，安裝于外牽引部頂部，根據(jù)外牽引部頂部的尺寸大小，采煤機機身的高低情況以及油量的要求，最終確定潤滑油箱的尺寸為58 cm×52 cm×6 cm，如圖2 所示。原外牽引部加油孔孔徑為80 mm，故潤滑裝置滴油嘴的直徑設計為75 mm，高度為20 mm，滲油孔孔徑為5 mm。

圖2 滴油潤滑裝置

潤滑裝置設計有檢修口和觀察口，檢修口擰入M10、材料為Q345 的螺紋桿以控制滲油孔開關(guān)與滲漏速度，根據(jù)潤滑油的黏度確定滴油速度，保證潤滑油緩慢滴落，同時可用于通斷油路，在采煤機停機時節(jié)省潤滑油。

工作原理：檢修及保養(yǎng)時，將螺紋桿旋轉(zhuǎn)到油箱底部，關(guān)閉滲油孔，防止?jié)櫥统掷m(xù)滲漏影響維修；在采煤機作業(yè)中，將螺紋桿旋轉(zhuǎn)向上，打開滲油孔，使?jié)櫥统掷m(xù)滲漏到驅(qū)動輪上，隨著驅(qū)動輪與中間輪的不斷旋轉(zhuǎn)嚙合，潤滑油進入中間輪，相同作用機理，潤滑油到達齒軌輪，最后經(jīng)過擠壓后成為廢油，從行走部底端流出采煤機（圖3）；當油箱中的潤滑油滲漏完畢時，由油箱頂端的注油口繼續(xù)加注潤滑油，以維持齒輪潤滑的作用，潤滑裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 滴油潤滑原理

圖4 潤滑裝置三維結(jié)構(gòu)

2.4 滴油潤滑裝置保護板設計

雖然本項目在采煤機行走箱殼體外部設置潤滑油箱來解決齒輪潤滑問題，但潤滑油箱外置，在采煤機移動過程中很容易被煤塊和石頭損壞。采煤機工作環(huán)境惡劣，破損石塊或煤塊經(jīng)常擊打采煤機機體，由于滴油潤滑裝置位于采煤機頂部，且油箱壁較薄，因此需要設計滴油潤滑裝置保護板，用以保護油箱部分不受損壞。在滴油潤滑裝置上方、采煤機頂護板前沿加裝小護板。

3 系統(tǒng)仿真

AMEsim 仿真軟件可仿真機械液壓耦合系統(tǒng)，它基于集中參數(shù)和圖形化元件數(shù)學模型，可進行穩(wěn)態(tài)與模態(tài)仿真，分為草圖、子模型、參數(shù)、仿真等4 種模式。仿真草圖如圖5 所示，外牽引齒輪剛性耦合連接，驅(qū)動輪輸入給定的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過惰輪以及大齒輪傳遞給軸承，速度傳感器用來檢測輸出軸的轉(zhuǎn)速，油箱通過潤滑腔潤滑齒輪。潤滑油脂的滴油速率保持在25 滴/min（圖6）。

圖5 仿真草圖

圖6 潤滑時間和油滴關(guān)系曲線

油液部分采用線性插值的方法計算壓電粘滯系數(shù)。密度由數(shù)據(jù)集通過線性插值計算得到，運動黏度由數(shù)據(jù)集通過線性插值計算得到。通過定義3 個截然不同的點，利用最小二乘擬合（溫度、黏度）確定系數(shù)。油箱的油液通過潤滑腔進入齒輪系統(tǒng)中。

在靜態(tài)情況下，在端口1 輸入齒輪的線速度（m/s）除以半徑，以計算軸在端口2 和端口4 的轉(zhuǎn)速輸出（r/min）和端口3 復制的旋轉(zhuǎn)速度。端口1 輸出的力（N）除以端口2 和端口4 輸入的扭矩半徑（N·m），消除扭矩損失并在端口3 求和。在動態(tài)情況下，在端口1 輸入齒的線速度（m/s）除以半徑，并用齒輪慣性旋轉(zhuǎn)速度計算齒的位置。接下來使用齒的位置計算端口1 輸出的接觸力。為了計算齒輪的慣性加速度，將動力學的基本原理應用于齒輪慣性，利用接觸力、端口2 和端口4 的扭矩輸入（N·m）、端口3 的力和扭矩損失，由此得到加速度積分從而得到在端口2 和端口4 輸出的齒輪轉(zhuǎn)速（圖7）。仿真模型中齒輪模型有5 個等級。0 級只考慮傳動比，1 級考慮傳動損失，2 級計算效率，3 級計算間隙和接觸剛度，4 級計算可變接觸剛度。為保護行走機構(gòu)，裝置的齒輪選用空心軸為扭矩軸，齒輪和鏈輪采用棘爪結(jié)構(gòu)，更適應傳遞大扭矩。模型為3 級，考慮接觸剛度和各自齒輪的慣量，參數(shù)設置中選擇計算側(cè)隙，不計算摩擦損失。齒輪傳動系統(tǒng)的3 個齒輪模數(shù)都是20 mm，齒數(shù)為分別13、19、21。

圖7 仿真驗證

牽引側(cè)系統(tǒng)輸入部分考慮變頻驅(qū)動，因此增加了不同的轉(zhuǎn)速輸入。不同頻率轉(zhuǎn)速下潤滑系統(tǒng)有無摩擦的仿真結(jié)果如圖8～圖11 所示，在相同轉(zhuǎn)速下，經(jīng)過潤滑系統(tǒng)潤滑后的轉(zhuǎn)矩得到了提升，齒輪的傳遞效率增加。不同的轉(zhuǎn)速得到了相同的潤滑效果。

圖8 干摩擦與潤滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率12.5 Hz，轉(zhuǎn)速370 r/min）

圖9 干摩擦與潤滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率25 Hz，轉(zhuǎn)速740 r/min）

圖10 干摩擦與潤滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1480 r/min）

圖11 干摩擦與潤滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率75 Hz，轉(zhuǎn)速2220 r/min）

4 結(jié)論

本項目通過對采煤機外牽引部結(jié)構(gòu)進行分析，同時對不同潤滑方式進行綜合比較，由于采煤機牽引部由上至下的立式結(jié)構(gòu)分別為位于頂端的驅(qū)動輪、位于中間的中間輪和位于底部的齒軌輪組成，固將油箱放于牽引部的頂部，潤滑油通過自身重力作用從油箱中滲出，隨著齒輪不斷旋轉(zhuǎn)和嚙合，由驅(qū)動輪流入中間輪，最后到達齒軌輪位置，因此油箱在行走部上方時，可以實現(xiàn)潤滑三種齒輪的效果。這樣的設計不僅可以節(jié)省潤滑油，還能使?jié)櫥驮跔恳棵恳粋€輪齒上充分浸染，均勻潤滑，是一種簡單、有效、可靠的潤滑方式，可達到保護輪齒的目的。

本項目具有以下特點：

（1）潤滑方式簡單有效，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊湊，安裝過程中不需要改變原采煤機外牽引結(jié)構(gòu)。

（2）油箱為可開閉式油箱，用帶螺紋螺栓控制開閉口大小，以控制滴油速度。

（3）油箱護板可以保護油箱不被煤塊砸壞。

（4）可有效降低井下采煤機維修成本，單個采煤機大修周期可降低維修成本42 萬元（圖12）。

圖12 潤滑裝置使用前后維修成本

滴油潤滑裝置在中煤平朔集團各型號采煤機的現(xiàn)場使用情況反饋，各銷軸潤滑效果良好，沒有出現(xiàn)管路堵塞的情況，大大降低了勞動強度，取得了良好的效果，具有一定的推廣應用價值。