提高采煤機搖臂行星機構可靠性探析

曹 宇

（山西潞陽投資有限公司昌泰煤業有限公司，山西晉中 045400）

0 引言

采煤機搖臂利用傳動系統來向截割滾筒提供動力，從而完成破煤、落煤等一整套操作，該設備在采煤機中發揮著極其關鍵的作用。采煤機搖臂內部安裝的傳動系統一般都運用兩級行星和兩級直齒輪來發揮減速作用，作為一種末級減速機構，行星機構承擔著較大的輸出扭矩，并且利用浮動油封設備來實現封油的目的。由于行星機構在運行的過程中不具備較強的穩定性，時常會出現漏油的問題，因此本文對行星機構進行了深入研究，對浮動油封及圓錐滾子軸承運行過程中的穩定性進行分析，最后優化改良了其裝配工序。

1 大功率采煤機搖臂行星機構的構成

圖1 行星機構結構圖

該設備大多采用雙排圓錐滾子軸承來作為輸出端，將浮動油封的構造設定為DO型，采取雙錐及圓柱兩類軸承來精確定位行星機構，如圖1所示。其中行星機構所受到的力大部分都由雙排圓錐滾子軸承所承擔，此時浮動油封所發揮的作用就是密封。作為行星機構的核心構成，浮動油封及雙排圓錐滾子所具有的穩定性將會對行星機構造成較大的影響。

2 雙排圓錐滾子軸承的穩定性

雙排圓錐滾子軸承存在的初始游隙是最主要的參數，對行星機構的正常運行造成了影響。其軸向游隙的數值越大，軸承所發生的偏移量及竄動量將會越大。若存在較大的竄動量時，浮動油封將會出現過松或過緊的問題，過緊將會造成嚴重的磨損、O 形圈受熱損壞等故障，間接造成漏油問題的產生；過松將會造成泄漏問題的發生。因此，積極提升行星機構運行的穩定性，對游隙進行嚴格控制，避免軸承出現嚴重的偏移和竄動，盡可能避免浮動油封出現漏油問題[1]。

2.1 軸承的承載能力、壽命及變形

根據軸承實際運轉的狀況，在對其進行分析的過程中，應當對各個溫差下的變形程度、軸承的承擔水平及偏移量進行分析。由分析結果可知，在該工況下，軸承的可使用壽命及所能承載的能力可以達到標準要求；但如果存在過大的游隙，軸承就會出現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為軸承的計算系數。

由式（1）可知，軸向及徑向兩種游隙呈現出正相關性，通過對軸向游隙進行嚴格的控制，就可以實現徑向游隙的控制。

2.3 軸承內、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系，對于這些部件出現的材質過軟問題，可以通過加強材質的硬度來進行改善；

（2）為了使軸承內圈不會因受熱膨脹而與行星架產生跟轉，內圈應當更完美地配合行星架；

（3）嚴格控制滾筒的連接套及壓蓋的尺寸，避免軸承內、外圈產生跟轉問題；

（4）將軸承座的尺寸進行更換，擴大外圈的接觸面積，確保軸承維持穩定運行。

2.4 內、外圈匹配度的控制

雙列圓錐滾子軸承外圈是一個整體，內圈則由3 部分構成，即上半、下半和中間格圈。由于生產制造中存在誤差，與外圈形成配合的上、下內圈不能更換，因此，軸承生產商必須在內、外圈做好標記，即Ⅰ、Ⅱ面，在安裝及應用的過程中，應當確保內、外圈相對應，以避免軸承游隙因其配對失誤而發生改變，進而影響到行星機構的整體使用。

2.5 擰緊力矩

根據要求的擰緊力矩來預緊滾筒連接套、壓蓋及二級行星機構中的螺栓，滾筒連接套與壓蓋應直接作用于軸承的內、外圈上，其預緊力的大小將會對軸承的穩定運行造成直接的影響。另一方面，在搖臂的整體運行中，行星機構運行的穩定性對其造成了直接的影響，因此必須嚴格遵照要求力矩來擰緊以上3個機構的螺栓及螺釘。

3 浮動油封的可靠性

裝配難度大是DO 型浮動油封實際應用中最常見的問題，特別是處于作業面照明較差、空間不足及工具不完善的背景下，其裝配的難度更大，更加無法達到預期的裝配效果。為此，本文提出了下列幾點改善措施。

（1）運用分體式結構來設計滾筒聯接套、壓蓋與浮動油封的底腔。圖2 所示為浮動油封的分體式結構，不僅有助于浮動油封底腔的生產與質檢，而且有利于滾筒聯接套與壓蓋的生產制作，同時又可以避免因底腔受損而更換壓蓋及聯接套，極大節省了資源。在實際運用的過程中，可以將浮動油封裝配在地面上，礦井下應當采用O 形圈來進行密封、聯接螺釘等，使浮動油封的安裝難度降低，安裝效果得到改善[2]。

（2）當行星機構發生偏載問題時，滾筒聯接套與壓蓋之間將會出現磨損問題，應當適當擴大浮動油封的迷宮槽間隙。

（3）嚴格遵照標準來標注浮動油封的溝槽，并加強檢測。對滾筒連接套及壓蓋浮動油封溝槽進行嚴格地檢測，確保浮動油封具有穩定有效的外界應用條件。圖3所示為浮動油封溝槽的檢測，通過對（x2，t1），（x2，t2）的實際位置進行檢測，可間接取得溝槽的角度，即：

式中：x1為測量點1橫向尺寸，x2為測量點2橫向尺寸，t1為測量點1徑向尺寸，t2為測量點2徑向尺寸。

圖2 分體式浮動油封座腔結構

圖3 浮動油封溝槽的檢測

（4）采用格茨丁晴橡膠材質來制作浮動油封。浮動油封所具備的性能主要與構造、材質及廠商存在一定的關系。經過大量的試驗及實踐可知，丁晴橡膠、氫化丁晴橡膠O 形圈與采煤機的應用需求基本一致，具備較高的經濟性和實用性；高鉻合金鑄鐵浮封環因其具備較高的潤滑油吸附性而形成了較高的耐磨性，其優勢要大于鋼浮封環；通過開展一系列的試驗可知，對于浮動油封所具有的性能而言，德國格茨廠家的產品更具優勢[3]。因此，現階段所使用的浮動油封大多來自于德國某公司。

4 二級行星機構裝配工藝

在行星機構中安裝的各個部件及雙列圓錐滾子軸承和浮動油封進行相應的分析及優化之后，為了不斷提高行星機構的穩定性，針對裝配階段存在的核心環節及應當重視的問題來設計出相應的裝配指導文件，用來改善行星機構的工序、提高質量控制點尋找的精確性及確定裝配階段應當重視的問題[4]。

4.1 雙列圓錐滾子軸承的檢測

在行星機構中，該軸承是其關鍵部件，其是否具備穩定的運行將會對行星機構的有效性造成影響。通過對該軸承進行嚴格的檢測來增強運行的穩定性。如圖4所示。根據圖中所顯示的軸承尺寸，可以計算出軸向油隙[5]。

圖4 雙列圓錐滾子軸承的檢測

4.2 雙列圓錐滾子軸承內外圈的防跟轉

該軸承在運行的過程中，其內、外圈處于固定狀態，而對于外界溫度對其造成的影響可以利用游隙的控制來完成，因此在裝配的過程中確保軸承內、外圈的緊固是其關鍵點。確保外圈保持緊固的尺寸如圖5所示，對行星架的高度L1、軸承座的深度尺寸L2、壓蓋的高度L3進行詳細測量及記錄，結果顯示L3＞L2-c1，以確保軸承外圈完成裝配之后保持壓緊狀態[6]。

圖5 保證軸承外圈緊固的相關尺寸示意圖

軸承外圈若要取得較好的安裝效果，則需要運用尺寸合理的零件來實現，而為了確保內圈的安裝效果，則需要通過在安裝過程中進行逐步測量來實現，安裝過程必須保證外圈的穩定，其尺寸如圖6所示，L4為下列內圈的安裝高度，L5為上列內圈的安裝高度。在安裝內圈的時候，通過將上、下內圈的裝配高度進行測量比較，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域之內，以確保軸承內圈得到科學地安裝[7]。

圖6 保證軸承內圈緊固的尺寸示意圖

4.3 浮動油封尺寸的明確及比壓測試

為了使浮動油封維持有效運行，必須對其溝槽進行嚴格的測量，另外，在實際裝配的過程中，通常都需要對浮動油封所形成比壓進行模擬分析來適當調整工作油壓，其比壓的示意圖如圖7所示。

圖7 浮動油封比壓實驗示意圖

浮動油封的比壓：

式中：m為配重的質量，kg。

針對軸承壓蓋與滾筒聯接套的安裝，應詳細檢測及記錄配重前后的高度差，即E＝L7-L8+C，可以對浮動油封存在的比壓進行校核，判斷是否與設計要求相一致[8]。

4.4 行星機構裝配過程中的實際間隙測量

在實際裝配的過程中，通過將滾筒聯接套所具有的支撐面高度L6、壓蓋的高度L9和上列內圈的高度L5進行檢測與記錄，可以得出行星機構完成裝配之后的實際間隙，即L6+L9-L5，其間隙的檢測如圖8所示。L9為軸承壓蓋高度。

圖8 裝配間隙的測量

5 結束語

通過上述的研究及優化，針對某個時間段的行星機構實施追蹤，對各個行星機構的裝配過程進行全程追蹤，并對后期的實際應用進行分析，其中包含產量、行星機構的故障問題等。根據調研結果可知，搖臂行星機構在經過優化并投入應用之后，滾筒聯接套在與壓蓋相互摩擦的過程中并未產生磨損狀況，浮動油封的運行也沒有出現故障，效果較好。