采煤機(jī)搖臂減速箱冷卻系統(tǒng)與裝置的改進(jìn)

胡雪峰

（陽泉華越創(chuàng)力采掘機(jī)械制造有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤工藝、支護(hù)手段以及綜采設(shè)備自動化水平的不斷提升，工作面的采煤效率得到顯著提升。采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其截割能力直接決定工作面生產(chǎn)能力。隨著采煤機(jī)裝機(jī)功率越來越大，其搖臂傳遞功率也隨之增加，對應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的發(fā)熱量也越來越大。鑒于綜采工作面的空間有限且水量等因素的局限性，不僅導(dǎo)致采煤機(jī)搖臂減速器散熱能力有限，而且降低了采煤機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，以及生產(chǎn)效率[1]。因此，著重對采煤機(jī)搖臂減速箱冷卻系統(tǒng)及裝置進(jìn)行研究改進(jìn)。

1 采煤機(jī)搖臂減速器概述

采煤機(jī)搖臂減速器為整機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其作為與煤層直接接觸的部件之一，主要包括截割電機(jī)、離合器、減速器、行星齒輪輪系等[2]。本文著重對采煤機(jī)搖臂截割系統(tǒng)中的減速箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其主要包括有殼體、軸組、行星減速器、噴霧降塵裝置等組成。如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)搖臂減速器結(jié)構(gòu)示意圖

采煤機(jī)搖臂殼體為整體鑄鋼結(jié)構(gòu)；軸件包括有Ⅰ軸組件、Ⅱ軸組件、Ⅲ軸組件、Ⅳ軸組件、Ⅴ軸組件、Ⅵ軸組件、Ⅶ軸組件，其中Ⅰ軸組件與截割電機(jī)扭矩軸相聯(lián)，Ⅱ軸組件、Ⅳ軸組件、Ⅴ軸組件、Ⅵ軸組件為惰輪組，Ⅲ軸組件、Ⅶ軸組件主要為增強(qiáng)傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性；噴霧降塵系統(tǒng)主要承擔(dān)對截割點(diǎn)粉塵、煤塵濃度的控制任務(wù)；行星減速器提高采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)性[3]。

采煤機(jī)搖臂減速箱除了常規(guī)結(jié)構(gòu)部件外，還包括有冷卻、潤滑系統(tǒng)。鑒于采煤機(jī)屬于大型機(jī)電設(shè)備，且在實(shí)際工作時(shí)時(shí)刻處于一個(gè)相對較小幅度的振動狀態(tài)中，因此對其冷卻和潤滑的要求更高，主要表現(xiàn)為：其冷卻系統(tǒng)的水量不能太大，水量太大容易導(dǎo)致煤質(zhì)較差，從而影響企業(yè)利潤；對于潤滑系統(tǒng)而言，鑒于工作面空間有限對應(yīng)采煤機(jī)搖臂的空間也受到限制，從而使其內(nèi)部有效潤滑的空間較小。本文著重對采煤機(jī)搖臂的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，當(dāng)前冷卻系統(tǒng)主要為水冷方式，且包括兩路冷卻，其中一路為高壓水冷卻，為搖臂減速箱的主要冷卻方式；另一路為低壓水冷卻，為搖臂減速箱的輔助冷卻方式。

2 采煤機(jī)搖臂減速箱的熱平衡分析

采煤機(jī)在實(shí)際工作中，由于其傳動系統(tǒng)內(nèi)部輪齒、軸承等摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，從而造成功率損失。如果對實(shí)際生產(chǎn)中齒輪與齒輪、軸承等部件摩擦所產(chǎn)生的熱量不及時(shí)散出的話，會導(dǎo)致系統(tǒng)的潤滑效率降低，從而加劇齒輪、軸承等部件的磨損，加劇其失效。

2.1 采煤機(jī)搖臂減速箱熱源分析

采煤機(jī)搖臂在實(shí)際工作中的主要熱源可以定性為傳動功率的損失，并以熱量的形式被排出，主要變現(xiàn)為齒輪與齒輪的嚙合，齒輪與軸承之間的嚙合，油封功率的損失以及齒輪攪拌油液產(chǎn)生的熱量。

1）對于齒輪與齒輪嚙合所產(chǎn)生的熱量其與傳動效率和輸入功率相關(guān)；

2）軸承作為支撐負(fù)荷的機(jī)械零件，其主要表現(xiàn)為點(diǎn)與線的摩擦所產(chǎn)生的熱量，所生產(chǎn)熱量主要與軸承參數(shù)及傳遞功率相關(guān)；

3）對于油封功率損失所產(chǎn)生的熱量主要與齒輪軸的靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)、油箱的溫度以及油液的參數(shù)相關(guān)；

4）對于輪齒攪拌油液所產(chǎn)生的熱量主要與其所采用的潤滑方式相關(guān)，主要熱源與搖臂工況的不同而不同[4]。

經(jīng)計(jì)算，得出上述四種途徑所產(chǎn)生熱量的具體數(shù)值如表1 所示：

表1 采煤機(jī)搖臂減速箱熱源定量分析 kJ/h

如表1 所示，采煤機(jī)搖臂減速箱的主要發(fā)熱來源為齒輪與齒輪的嚙合，齒輪與軸承之間的嚙合，以及齒輪攪拌油液產(chǎn)生的熱量。因此，需注重對上述三種發(fā)熱方式下的熱量進(jìn)行散熱處理。

2.2 采煤機(jī)搖臂散熱分析

目前，采煤機(jī)搖臂減速器在工作中所產(chǎn)生的熱量可通過搖臂殼體與工作面空氣的熱交換；搖臂的水冷卻熱傳導(dǎo)、潤滑油液的散熱以及各個(gè)連接零部件之前的熱傳動進(jìn)行散熱。

搖臂表面殼體散熱主要分為對流散熱和傳導(dǎo)散熱；搖臂接觸部分表面散熱主要為熱量通過搖臂與采煤機(jī)其他部件的連接件通過熱傳導(dǎo)到進(jìn)行散熱；搖臂水冷卻散熱主要通過一定壓力的水實(shí)現(xiàn)冷卻。經(jīng)對采煤機(jī)搖臂減速箱各種散熱方式下的散熱量進(jìn)行定量分析。

綜上所述，采煤機(jī)搖臂在工作中主要熱源為齒輪、軸承以及輪齒攪拌的油液所產(chǎn)生的熱量，而且當(dāng)搖臂向上轉(zhuǎn)動角度越大時(shí)所產(chǎn)生的熱量越大。對于散熱而言，單純依靠搖臂殼體表面以及與其他部件熱傳導(dǎo)散熱無法滿足設(shè)備整體的散熱要求，必須采取外部強(qiáng)制散熱方式。為提升當(dāng)前采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)的散熱效果急需對其冷卻系統(tǒng)及裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 冷卻系統(tǒng)及裝置的優(yōu)化

采煤機(jī)搖臂傳統(tǒng)散熱方式為殼體水套冷卻，但是隨著裝機(jī)功率的不斷增加，傳統(tǒng)殼體水套冷卻方式已經(jīng)無法滿足散熱要求。因此，需對采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)配置熱平衡系統(tǒng)，并對其冷卻系統(tǒng)及涉及的裝置進(jìn)行優(yōu)化[5]。具體闡述如下：

3.1 殼體水套冷卻的優(yōu)化

1）傳統(tǒng)殼體水套冷卻有兩路冷卻水組成，分別為高壓水和低壓水，其中高壓水為內(nèi)噴霧系統(tǒng)噴射出一定壓力的冷卻水；低壓水由已經(jīng)冷卻過牽引系統(tǒng)的冷卻水。

2）高壓水的冷卻路徑為水閥—搖臂殼體冷卻水道—內(nèi)噴霧供水裝置—滾筒葉片水道—噴嘴。

3）低壓水的冷卻途徑為已冷卻過牽引電機(jī)的水—搖臂截割電機(jī)—搖臂殼體冷卻水道—大噴嘴。

為提高殼體水道的冷卻效果，對上述兩路冷卻水的路徑進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

1）高壓水：水閥—搖臂齒輪箱的全螺紋冷卻水管組—冷卻齒輪箱潤滑油冷卻—行星頭殼體冷卻水道—搖臂殼體冷卻水道—內(nèi)噴霧供水裝置—滾筒葉片水道—噴嘴。

2）低壓水：已冷卻過牽引電機(jī)的水—搖臂截割電機(jī)—搖臂殼體冷卻水道（蛇形分布于搖臂殼體表面）—大噴嘴。

3.2 減速箱強(qiáng)制潤滑冷卻

鑒于當(dāng)搖臂處于大傾角工況時(shí)所產(chǎn)生的熱量最大，主要由于在大傾角工況下?lián)u臂傳動系統(tǒng)的齒輪得不到有效的潤滑，從而加劇摩擦產(chǎn)生的熱量急劇增大。因此，需在大傾角工況下為其配置低速強(qiáng)迫潤滑冷卻裝置，使其在大傾角工況下也可對齒輪進(jìn)行有效潤滑，減小摩擦，降低發(fā)熱量。低速強(qiáng)迫潤滑冷卻裝置安裝效果如圖2 所示：

圖2 低速強(qiáng)迫冷卻潤滑裝置

4 結(jié)語

采煤機(jī)搖臂系統(tǒng)為其核心分系統(tǒng)，其主要承擔(dān)對煤層的截割任務(wù)，對截割高度、深度進(jìn)行控制。隨著采煤機(jī)裝機(jī)功率的不斷增加，傳統(tǒng)搖臂殼體水套冷卻方式的散熱效果已經(jīng)無法滿足搖臂傳動系統(tǒng)的散熱需求，為此對搖臂殼體水套冷卻的高壓、低壓水冷卻路徑進(jìn)行優(yōu)化（在高壓水冷卻路徑中增加對潤滑油箱的冷卻，在低壓水冷區(qū)中設(shè)置蛇形水道增加冷卻面積）；對大傾角工況下潤滑不佳導(dǎo)致發(fā)熱量增加的問題為其配置低速強(qiáng)迫冷卻潤滑裝置。