周建龍， 盧團(tuán)部， 鞏孔正

（西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710032）

引言

目前，掘進(jìn)機(jī)裝載物料的方式主要有兩種，一是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)星輪的方式，二是低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)星輪，以實(shí)現(xiàn)被截割的物料裝載進(jìn)入應(yīng)用，再通過橋式轉(zhuǎn)載機(jī)或刮板機(jī)輸送到主皮帶等，完成物料從工作面到后方的運(yùn)輸[1]。

本文針對(duì)低矮型巖巷掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求，裝載機(jī)構(gòu)采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器的方案，設(shè)計(jì)出薄型鏟板來(lái)降低鏟板的厚度，比同類機(jī)型采用低速大扭矩馬達(dá)的鏟板厚度減少近100 mm，滿足了總體對(duì)裝載機(jī)構(gòu)的參數(shù)分配要求。整機(jī)高度1.65 m，機(jī)身寬度2.7 m，較好適應(yīng)8～19 m2斷面，適合小斷面巷道的掘進(jìn)，直接降低了巷道開采及物料運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

1 裝載減速器的應(yīng)用

在裝載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選型過程中，減速器選用某知名廠家的非標(biāo)設(shè)計(jì)，減速器運(yùn)行扭矩7 300 N·m，最大扭矩10 700 N·m，輸出轉(zhuǎn)速30 r/min。整機(jī)在井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，此減速器在使用一個(gè)月后，輸出端出現(xiàn)漏油、最后卡轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，拆解后發(fā)現(xiàn)此減速器的輸出軸端處為骨架密封加迷宮結(jié)構(gòu)的密封形式，見圖1，油封已損壞，減速器內(nèi)積滿了淤泥等雜質(zhì)。由于廠家設(shè)計(jì)人員不清楚井下減速器的工作環(huán)境，選用了不當(dāng)?shù)拿芊庑问健?/p>

圖1 減速器初始結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的維修，采用浮動(dòng)密封加迷宮結(jié)構(gòu)的密封形式，見圖2。浮動(dòng)密封抗污染能力強(qiáng)、耐磨、耐沖擊、端面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，廣泛用于煤礦機(jī)械的端面密封上。但經(jīng)過兩個(gè)月的使用，出現(xiàn)漏油，密封性能明顯降低，耗油量加大等現(xiàn)象[2]。

圖2 減速器維修結(jié)構(gòu)圖

2 裝載減速器的改進(jìn)

由于此低矮型掘進(jìn)機(jī)主要用于煤礦小斷面底抽巷道的掘進(jìn)，屬于巖石巷道，工況惡劣。星輪在裝載物料時(shí)，減速器受到劇烈的沖擊，其輸出軸主要受到很大的徑向載荷，通過對(duì)比相關(guān)減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，判斷減速器中軸的支撐方式是影響浮動(dòng)密封失效的主要因素，輸出軸端處的調(diào)心滾子軸承在滾子和滾道磨損后游隙會(huì)急劇增加，導(dǎo)致浮動(dòng)密封效果差，壽命減少。通過重新設(shè)計(jì)減速器各軸的支撐方式，錐齒輪軸與輸出軸選用圓錐滾子軸承支撐，來(lái)增強(qiáng)軸的支撐剛度；而中間軸選用調(diào)心滾子軸承的支撐方式，有效減小輪齒偏載，見圖3。經(jīng)過近6 個(gè)月的使用，沒有出現(xiàn)漏油、卡轉(zhuǎn)等現(xiàn)象[3]。

圖3 減速器改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

3 低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行物料的裝載，是目前掘進(jìn)機(jī)裝載驅(qū)動(dòng)裝置的主流配置，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易維護(hù)、成本低。鑒于低矮型巖巷掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求，鏟板厚度薄，而應(yīng)用的CA5032 等馬達(dá)裝載驅(qū)動(dòng)裝置高度較高，與鏟板裝配發(fā)生很大干涉，不能應(yīng)用。選用某廠家新開發(fā)的緊湊型液壓馬達(dá)重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置，減小其高度，并與減速器具有互換性，見圖4。對(duì)比新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)軸與采用CA5032 馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)軸，新驅(qū)動(dòng)軸危險(xiǎn)截面尺寸為Φ72 mm，花鍵為DIN5480-W70×3×30×22×9e，規(guī)格尺寸明顯小于后者。因此，需要對(duì)軸的危險(xiǎn)截面和花鍵進(jìn)行疲勞強(qiáng)度、靜強(qiáng)度以及花鍵聯(lián)接的校核等[4]。

圖4 低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3.1 驅(qū)動(dòng)軸危險(xiǎn)截面的校核

根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)、實(shí)際尺寸，考慮軸的表面質(zhì)量、應(yīng)力集中、尺寸影響以及材料的疲勞極限等因素，來(lái)驗(yàn)算軸危險(xiǎn)截面處的疲勞安全系數(shù)Sτ=1.6，略大于疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用安全系數(shù)Sp=1.5。

校驗(yàn)軸對(duì)塑形變形的抵抗能力，即校核軸危險(xiǎn)截面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)Ssτ=3.8，大于靜強(qiáng)度的許用安全系數(shù)Ssp=2.2。

結(jié)合實(shí)際情況，驅(qū)動(dòng)軸的失效主要是疲勞引起的，因此，要通過提高此處危險(xiǎn)截面的表面質(zhì)量、合適的熱處理工藝以及表面強(qiáng)化措施等，提高其疲勞強(qiáng)度。

3.2 驅(qū)動(dòng)軸花鍵的校核

為避免鍵齒工作表面壓潰，利用花鍵連接強(qiáng)度的通用計(jì)算方法，σp=120 MPa，此值與許用擠壓應(yīng)力接近，連接強(qiáng)度會(huì)存在一些問題，這主要是由于選用的花鍵規(guī)格較小、齒的結(jié)合長(zhǎng)度較短而造成的。根據(jù)花鍵承載能力的精確計(jì)算法來(lái)驗(yàn)算，通過計(jì)算齒面接觸強(qiáng)度、齒根彎曲強(qiáng)度、齒根剪切強(qiáng)度等其值分別為128.8 MPa、267.8 MPa、129.6 MPa，都各自接近對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力[5]。

可見，針對(duì)花鍵規(guī)格小且結(jié)合長(zhǎng)度短，要提高有沖擊載荷時(shí)的花鍵聯(lián)接可靠性，就需選用高強(qiáng)度的合金鋼，結(jié)合熱處理工藝、齒面淬火或滲氮等，提高齒面硬度。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)低矮型巖巷掘進(jìn)機(jī)的總體要求，裝載機(jī)構(gòu)選用減速器作為驅(qū)動(dòng)裝置，減小了鏟板體厚度，壓低了機(jī)身高度。針對(duì)減速器在使用中出現(xiàn)的問題，改用浮動(dòng)密封加迷宮結(jié)構(gòu)作為輸出軸的端面密封，并重新設(shè)計(jì)減速器各軸的支撐方式來(lái)提高浮封的使用壽命，浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠，適應(yīng)惡劣工況，已廣泛應(yīng)用于煤機(jī)裝備領(lǐng)域；選用緊湊型液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的方式來(lái)互換減速器，其故障點(diǎn)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。