掘進機懸臂段密封系統的改進研究

馮屯生

（山西潞安集團余吾煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

掘進機在煤、巖巷道掘進中應用廣泛。掘進機截割煤、巖層通過截割機構實現，是整個掘進機的關鍵組成部件。截割機構的任何故障都會給掘進機正常工作帶來影響。懸臂段是掘進機截割機構的關鍵零部件，由軸承、主軸、端蓋及浮動密封等部件組成，主要用于截割機構扭矩傳送。浮動密封一般是由O型橡膠密封圈、一對浮動密封環組成，為了確保O型橡膠密封圈與浮動密封環接觸密實，主軸上溝槽需要精密加工，而溝槽上幾何形狀同時也是導致主軸扭斷失效的主要原因[1-2]。在掘進機懸臂段的浮動密封溝槽加工精度要求高、結構復雜，加工精度滿足不了使用要求時很容易造成主軸出現應力集中，嚴重時引起扭斷疲勞失效。因此，需要針對掘進機懸臂段現采用的浮動密封系統進行優化。

1 掘進機懸臂段及其密封結構組成及作用

1.1 掘進機懸臂段

掘進機懸臂主要由懸臂筒、主軸兩部分組成，通過軸承將主軸置于懸臂筒內，具體結構見圖1。在主軸一端采用法蘭盤與截割頭相連，另一端采用花鍵與減速器相連。減速器通過主軸將扭矩傳送給截割頭，從而避免截割頭與煤、巖石接觸過程中產生的沖擊、振動直接作用于減速器零部件上，影響減速器運行[3]。在掘進機懸臂整體設計確定的情況下，一般采用1～2組軸承支撐主軸，具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，并經B口排出，實現截割頭抑塵降溫作用。

圖1 掘進機懸臂段結構

圖2 傳統O型密封結構

1.2 掘進機懸臂段密封

礦井采用的掘進機密封系統多是浮動密封，該密封裝置集將浮換、間隙以及梳齒密封為一體，通過油膜張力防止泄露，在石化、冶金以及電力等存在較大沖擊載荷的設備中應用較為廣泛。采用的密封環經過配對研磨之后與O型密封圈配合使用，具體見圖2。O型橡膠圈一面套在密封環上，另一面與零部件上的錐形緊固面貼合，為了確保O型橡膠圈可以緊固地固定于溝槽之內，對加工的溝槽精度及幾何形狀都有較高要求，具體溝槽加工見下頁圖3。溝槽內部為3段連續相切的圓弧，同時為了確保溝槽內部傾斜表面與O型橡膠密封圈間摩擦阻力可以滿足O型橡膠圈擠壓后產生的徑向彈性力，應確保在溝槽各個連續相切圓弧段上的粗糙度各不相同。同時為保證O型橡膠密封圈受擠壓后能夠產生足夠徑向彈性力，使得O型橡膠密封圈與密封面接觸密實[4-5]，這就對兩個臨近的部件間隙有嚴苛要求。若密封溝槽的幾何尺寸、表面質量、零部件間隙等任一指標不滿足設計要求，都會給浮動密封裝置使用壽命以及密封效果帶來影響。

圖3 O型密封結構溝槽示意圖（單位：mm）

2 掘進機懸臂段密封存在問題

一般情況下掘進機懸臂密封段采用浮動密封方式，截割頭截割煤、巖層中會產生各種粒徑的煤、巖粉塵，當產生的粉塵粒徑直徑小于浮動密封系統相對旋轉部件間最小間隙時，小粒徑粉塵會與O型橡膠密封圈直接接觸，在掘進機截割煤、巖層帶來的沖擊載荷作用下，小粒徑粉塵會嵌入到緊固錐面，在O型橡膠密封圈上形成鍥型空間，從而引起浮動密封系統失效。

當密封系統失效后會造成懸臂段內部的潤滑油泄漏，懸臂段內的潤滑油溫度增加，進一步降低O型橡膠密封圈密封效果。若上述問題不能被及時發現，更多的粉塵會進入到懸臂段腔體內，引起軸承軌道磨損程度增加。當掘進機繼續工作時，懸臂墻內用以潤滑軸承的潤滑油溫度升高，軸承內外圈可能會出現漲裂，同時O型橡膠密封圈也會在沖擊載荷及溫度耦合作用下發生斷裂。由于懸臂段密封系統失效造成懸臂無法正常工作，進而導致巷道掘進工作停滯。懸臂段采用浮動密封在更換及設備安裝過程中對緊固錐面清潔程度、旋轉零部件間間隙等要求嚴格，井下條件往往難以滿足浮動密封更換及安裝需要[6]。

3 懸臂段密封系統改進方案的設計

3.1 浮動密封的改進

為了降低懸臂內的主軸加工制作難度，提升浮動密封可靠性，將懸臂段浮動密封改造成Z型，具體見圖4。該結構由兩個對稱Z型橡膠密封圈及兩個具有堆型截面密封圈組成。將Z型橡膠密封圈下面與密封圈貼合密實，上面與零件溝槽面貼合密實，當具有相對旋轉位移的兩個零部件間間隙達到設計值后，在Z型橡膠密封圈受擠壓產生的彈性力作用下，密封環堆型面完全被密封圈壓緊，從而實現密封效果。密封環采用具有較高硬度的鑄鐵件，同時具備較強的抗腐蝕能力。采用Z型密封方式不需要在零部件上加工幾何形狀復雜、精度要求高的槽溝，降低零部件加工及安裝難度，不僅可以確保浮動密封的使用，而且還具備較強的密封效果。

圖4 改進后的Z型密封結構

當存在相對旋轉位移的零部件工作時，在密封環間會形成V型縫隙，由于空間內充滿潤滑油，在離心力以及毛細作用下，潤滑油與金屬密封件貼附，從而使得密封環接觸面得以充分潤滑，也可以起到一定的散熱作用。同時密封環一側形狀為V型，可以有效提升改進后的浮動密封系統使用年限。采用改進后的密封方式可以在密封面邊緣形成一層油膜，在對密封系統進行維護過程中，若存在油膜，則表明浮動密封系統工作狀態正常。

改進后的Z型浮動密封相對于傳統的O型密封結構更為簡單，對零部件加工精度要求低，更能適用煤礦井下掘進工作面復雜掘進環境的需要，是后續礦井掘進機精密元件密封的選型發展方向之一。

3.2 密封系統主軸強度的校核

將懸臂浮動密封由O型改為Z型后，主軸上溝槽形狀發生改變。針對主軸在適用環境具體情況，構建三維模型，采用有限元分析方法對改造后的主軸強度進行校核。為了規避在主軸花鍵退刀槽處出現疲勞損傷，將花鍵直徑在原基礎上增加5%～8%，花鍵齒數也增大，具體見圖5。在靜連接、齒面熱處理以及中等加工精度調價下，主軸花鍵齒面受到擠壓應力模擬結果為21 MPa，較O型浮動密封時擠壓應力降低11%，可以滿足使用需要。

圖5 改進后的主軸尺寸參數（單位：mm）

由于增加了連接花鍵及軸承間的主軸半徑，從而使得主軸抗扭強度增加，同時安裝的軸承直徑及位置均未發生改變，懸臂段殼體未發生任何變化，軸承受力及對應的使用壽命模擬也顯示未出現顯著變化。采用Solidworks建立模擬模型，并采用Simulation模塊進計算分析，結果見圖6。

圖6 改進前后的主軸受力（MPa）情況

在模擬中對主軸兩端的法蘭及花鍵均進行一定簡化，提高模擬效率。主軸材質為42CrMo，工作扭矩為80 kN·m。模擬結果顯示，對浮動密封改進前，較高應力主要集中在花鍵退刀區及鄰近各段軸上，應力值均低于主軸采用材質的抗屈服強度；浮動密封改造后計算出的花鍵退刀區及鄰近各段軸上的最大應力值較改造前降低6%，溝槽內幾何形狀改變對主軸強度影響不顯著。

在設計主軸使用壽命5 000 h，轉速31 r/min條件下，對密封改進后的主軸疲勞模擬分析顯示，疲勞強度以及安全系數等均在安全值以內，滿足生產需要。采用ANSYS對主軸模擬分析，具體結果見圖7，從圖中看出，一階、二階頻率都僅僅100 Hz條件下掘進機截割頭工作時產生的振動沖擊對主軸影響較小，現實中掘進機截割頭破煤、巖時產生的頻率通常在10 Hz以內，破煤、巖時對截割頭振動及沖擊對主軸影響更小。模擬結果表明，改進夠的懸臂段密封系統結構合理，不僅起到提高密封性，而且還增加了密封系統的可靠性。

圖7 主軸模態模擬結果

4 結論

1）密封系統將傳統O型密封改造成Z型，且Z型密封系統的結構更為簡單、加工制作精度要求更低，密封效果顯著，不僅可以有效阻止雜物進入到懸臂腔體內，而且降低了密封系統維修難度，在礦井井下掘進巷道復雜惡劣的環境中具有更強的適應性。

2）采用有限元分析對改造后的懸臂密封系統內主軸結構工作性能進行分析，結果表明，改造后主軸受力較原密封系統下主軸受力減少6%，表明改造后的密封系統受力環境更佳，可以滿足使用安全。