掘進機懸臂段密封系統結構的改進設計

劉學元，張 菲

(山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司, 山西 晉城 048000)

掘進機主要用于巷道的開拓，在煤礦綜采及高檔普采工作面采掘巷道使用廣泛。煤層的破碎通常由掘進機上的截割機構完成，截割機構主要由截割電機、減速器、懸臂段、截割頭組成。截割機構是整個掘進機的關鍵組成單元，截割機構的任何故障都會造成掘進停機，影響煤礦的開采進度。懸臂段是截割部的關鍵零部件之一，由主軸、軸承、浮動密封和端蓋等零件組成，主要起傳遞扭矩的作用。浮動密封又是懸臂段的關鍵零部件之一，能有效防止沖擊振動工況下懸臂段內的軸承潤滑油發生泄露，確保懸臂段能夠正常工作。浮動密封通常由O型密封圈和一對配對使用的浮動密封環組成，為使O型密封圈能可靠壓緊浮動密封環，主軸上的安裝溝槽通常需要精密加工，而安裝溝槽的幾何形狀是導致主軸扭斷失效的主要原因。由于原有浮動密封的溝槽結構較為復雜，加工精度達不到要求，極易引起主軸應力集中，而導致主軸發生疲勞失效。因此，在懸臂段設計中，需對浮動密封安裝結構形式進行優化，并利用有限元方法計算對應主軸結構的強度校核，分析主軸上浮動密封安裝的結構改變后對其強度變化的影響，這對掘進機產品的關鍵部件的結構改進具有重要意義。

1 懸臂段浮動密封的結構及功能

1.1 懸臂段的組成及作用

縱軸式掘進機懸臂段主要由主軸和懸臂筒組成，見圖1. 主軸通過軸承安裝在懸臂筒中，一端以花鍵的形式與截割減速器相連，另一端以法蘭形式與截割頭相連，并將減速器的輸出扭矩傳遞到截割頭上，避免截割頭與巖石接觸過程中產生的振動和沖擊對減速器內部傳動零部件的壽命造成影響。在掘進機整機設計參數的限制條件下，通常采用1組或2組軸承作為主軸的支撐點，并采用在軸承安裝腔體內加注潤滑油的形式進行潤滑。通常帶有內噴霧功能的截割頭還需要在懸臂段上設計配水裝置，高壓水從A口進入主軸并由B口送至截割頭中，實現降溫抑塵作用。

圖1 懸臂段的結構組成圖

1.2 浮動密封的特點及作用

浮動密封是一種集浮環密封、間隙密封和梳齒密封于一體，并運用油膜的張力有效阻止泄漏的一種高性能密封，廣泛應用于電力、石油、化工、石化、冶金等存在重載沖擊的設備領域。應用的設備主要有汽輪機、發電機、切割機、給水泵、螺旋輸送機、壓縮機，也用于各種水輪機、減速機等。傳統的浮動密封采用O型橡膠圈壓緊密封環，由兩個對稱的類錐形截面的密封環和兩個O型圈組成，密封環的密封面經過配對研磨后成套使用，見圖2. O型橡膠圈的一側表面套在密封環上，在支撐唇的阻擋作用下，其另一側表面與零部件的緊固錐面接觸。為使O型橡膠圈可靠固定在溝槽中，對溝槽的幾何形狀和加工精度都有嚴格的要求，見圖3，溝槽表面需要加工3段連續相切的圓弧，為保證溝槽傾斜表面與O型圈接觸產生的摩擦力能夠平衡O型圈受壓后產生的軸向彈性恢復力，各段圓弧段上的表面粗糙度要求不同。此外，為確保O型橡膠被壓縮后能產生足夠的軸向彈性恢復力使密封環的密封面實現緊密貼合，這種浮動密封對存在相對旋轉的兩個零部件間的間隙要求較為嚴格。幾何形狀的精度和表面質量或相對旋轉的零件間的裝配間隙達不到設計要求都會對浮動密封的使用壽命造成較大影響。

圖2 傳統浮動密封結構組成圖

圖3 傳統浮動密封安裝結構示意圖

2 懸臂段現有結構存在的問題

2.1 浮動密封失效

由于截割頭長期在井下煤泥或巖石中截割，當磨顆尺寸小于浮動密封安裝規定的相對旋轉部件間的最小間隙時，就會與O型橡膠圈接觸，在截割振動的作用下，細小的顆粒會嵌入緊固錐面與O型橡膠圈形成的楔形空間中，導致浮動密封裝置失效。

浮動密封失效后，懸臂段腔體內的潤滑油會發生泄漏并伴隨著懸臂段工作溫度顯著升高，使O型密封圈在高溫下逐漸失效。如果沒有及時發現掘進機的故障，尺寸較小的顆粒和工作粉塵將會逐漸進入懸臂段腔體內，使軸承滾道進一步發生磨損。隨著掘進機繼續工作，在缺油狀態下軸承的工作溫度迅速升高，軸承內外圈可能發生漲裂，同時密封環也會在熱和沖擊作用下發生斷裂。由于浮動密封失效造成懸臂段無法正常旋轉，導致掘進機無法繼續截割作業。浮動密封更換和安裝過程中，對相對旋轉的零部件之間的間隙和緊固錐面內的清潔度有嚴格要求，而井下現場條件通常無法達到，因此要更換掘進機整套懸臂段，嚴重影響采掘進度。

2.2 主軸斷裂失效

由于井下地質條件的復雜性和多樣性，掘進機的工作條件可能會超出設備本身的適用范圍。在振動、沖擊及懸臂段缺油導致的高溫條件下很可能導致主軸疲勞失效。常見的失效形式為從主軸后端的花鍵退刀槽位置斷裂或從前端安裝浮動密封的軸向變截面位置斷裂。

位于主軸后端的花鍵退刀槽位置的軸徑是整個主軸結構直徑最小的區域。當花鍵加工成后，該區域的有效直徑進一步減小，導致該軸端對應的抗扭截面模量進一步降低。在掘進機工作時，截割不同硬度的煤體或巖體時，較小的軸徑無法承受瞬時較大的扭矩變化，長期處于這種工況條件下，主軸將可能發生損壞。此外，主軸前端由安裝法蘭盤向主軸軸身過度的結構中，存在著劇烈的截面變化，且該區域中還同時存在復雜幾何形狀的浮動密封溝槽，因此這一區域也會產生應力集中現象，影響主軸的工作可靠性。

3 設計改進方案

3.1 浮動密封結構改進

為避免在幾何尺寸相對較大的零件上加工細微的精密結構，降低主軸的制造難度，確保浮動密封的可靠性，改進設計的懸臂段采用Z型密封結構，見圖4. 該結構由兩個對稱的類錐形截面的密封環和兩個Z形橡膠圈組成。橡膠圈的下表面安裝在密封環外側，上表面與零件溝槽表面完全貼合，當相對旋轉的兩個零件間隙達到規定值時，在Z型橡膠圈彈性恢復作用下，密封環的密封面被完全壓緊，達到密封的使用效果。密封環采用含有特殊潤滑劑的鑄鐵材料，具有很高的硬度，同時又具有良好的耐腐蝕性。Z型浮動密封不需要在零件上加工帶有突唇結構的復雜幾何形狀，可以有效降低零件溝槽的加工難度，提高加工精度，延長浮動密封的使用壽命，同時具有更好的密封效果。

圖4 Z型浮動密封結構圖

當存在相對旋轉的兩個零件工作時，密封環之間會形成 “V”形的縫隙，在處于浸入潤滑油的工作條件下，能利用毛細作用和離心力，使潤滑油貼附到金屬密封面，使密封環的接觸面獲得充分潤滑，并能促進其快速散熱冷卻，防止發生冷焊現象。由于密封環采用了“V”型結構形式，因此能夠有效增加浮動密封的使用壽命。此外，這種設計可以使其密封面外邊緣形成一層很明顯的油膜，在維護過程中，若有油膜存在，則說明了浮動密封處于正常工作狀態。

該結構相對于傳統O型密封圈結構的浮動密封結構更為簡單，并可獲得更高的加工精度，是未來掘進機密封元件的選型方向。

3.2 主軸強度的校核計算

針對選用Z型浮動密封后主軸上溝槽幾何形狀的變化，結合實際使用過程中主軸發生的疲勞失效的情況建立對應的三維模型，利用有限元計算的方法對主軸進行強度計算，驗證溝槽安裝結構改進后主軸設計的可靠性。為避免主軸在花鍵退刀槽部分發生疲勞斷裂，并充分考慮與其連接的減速器花鍵安裝孔的設計條件，將花鍵軸直徑增加5%～8%，花鍵齒數相應增加，見圖5. 在靜連接、中等制造精度以及齒面經過熱處理的條件下，齒面擠壓應力計算結果為21 MPa，降低約11%，滿足使用要求。同時增加由花鍵位置向軸承安裝位置的主軸徑向尺寸，使主軸抗扭轉能力得以提高。由于安裝軸承的位置和軸徑均未調整，因此懸臂段殼體結構無變化，軸承的受力及對應的壽命計算結果也均未發生明顯變化。應用SolidWorks建立三維模型，并采用Simulation模塊進行有限元計算，其結果見圖6.

圖5 懸臂段主軸結構參數示意圖

圖6 主軸應力分析圖

對法蘭的端面和側面進行固定約束，將減速器輸出的扭矩施加在花鍵位置的軸段上，為避免對花鍵收尾處的復雜幾何形狀進行網格劃分、提高計算效率，在有限元分析中，對花鍵進行了簡化處理。主軸材料選用42CrMo，對應的平均工作扭矩為80 kN·m，計算結果對比見圖6.

分析結果顯示，設計改進前后，較高的應力主要分布于花鍵退刀區域及相鄰的各段軸上，均低于主軸材料的屈服強度，且改進后計算應力最大值可降低約6%，密封溝槽幾何結構的調整對主軸強度變化影響不明顯。在設計使用壽命為5 000 h，轉速為31 rpm的條件下，對改進后的主軸進行疲勞分析的結果顯示，疲勞強度安全系數均處于安全范圍內，符合設計要求。

采用ANSYS對主軸進行模態分析，結果見圖7. 一階和二階模態頻率都接近于100 Hz，而掘進機截割頭工作時由截割頭破巖所產生的頻率通常低于10 Hz，因此截割頭工作時所產生的振動對主軸本身的影響較小，改進后的主軸結構設計合理。

4 結 語

以懸臂式掘進機懸臂段密封系統為研究對象，針對懸臂段出現的腔體內部進入污物和主軸斷裂等問題，進行了分析研究，提出了相應的解決方案。

圖7 主軸模態分析結果圖

1) 采用了新型的梯形圈浮動密封替代了傳統的“O”型圈浮動密封。新型浮動密封的結構和制造工藝簡單，加工精度高，密封性能好，可有效地阻止腔體內部污物進入，解決了懸臂段腔體內部進入污物的問題。

2) 采用了調整主軸結構和尺寸的方法，對安裝在主軸上的浮動密封結構進行改進，并利用分析軟件對主軸工作性能進行計算，分析結果顯示，最大應力相對原結構可降低6%，改進后的主軸設計安全可靠。