連采機截割減速器的設計與裝配

周建龍，張 星，張站民

西安煤礦機械有限公司 陜西西安 710200

連采技術是地下開采技術的重要組成部分。連采機具有采掘一體化，高效靈活等特點，與連續運輸系統、梭車、行走支架、錨桿鉆車及鏟車等組成了短壁開采技術裝備，適用于主采區煤田開采、遺存煤柱及邊角煤回收和“三下”煤層的開采，而且在煤巷快速掘進中也有大量運用，其在煤巷的掘進速度是傳統掘進機的 3～ 4 倍，可有效緩解采掘失衡矛盾。

連采機截割減速器作為連采機的主要工作部件，是將截割電動機的動力輸出到滾筒，并承受來自滾筒截割煤巖的復雜載荷，因此在截割減速器的設計可靠性、關鍵部件的制造質量與加工精度、裝配精度及合理的齒輪嚙合間隙、軸承游隙控制等方面有較高要求，以保證截割減速器在工作時的高可靠性。

1 連采機截割減速器的設計

1.1 連采機截割部傳動原理

連采機工作時，通過滾筒的旋轉、履帶的推進和截割升降液壓缸的上下動作，實現工作面的掏槽和煤巖的截割[1]。連采機 2 個截割電動機的動力經左右對稱布置的機械式摩擦限矩器與轉矩軸等保護裝置、左右一級直齒輪傳動、二級圓錐齒輪傳動、三級行星齒輪傳動后，通過主軸合并輸出，驅動滾筒的旋轉，傳動原理如圖 1 所示。

圖1 截割部傳動原理Fig.1 Transmission principle of cutting unit

1.2 截割減速器的設計

連采機截割減速器主要由殼體、直齒輪、錐齒輪、型面傳動軸、行星架、內齒圈、花鍵軸、盤類零件、軸承、密封件等零部件組成，如圖 2 所示，內部結構較復雜，涉及到直齒輪傳動、錐齒輪傳動、行星傳動、型面連接等方面，設計過程是復雜的系統工程。

圖2 截割減速器結構Fig.2 Structure of cutting reducer

1.2.1 減速器傳動系統設計

根據國外連采機截割減速器傳動輸出的總體要求，確定總傳動比i=29.88。對于多級減速傳動，按等強度原則設計，通常高速級傳動比略大于低速級，可有效減小傳動件的外廓尺寸，減輕質量，改善潤滑條件，使得結構緊湊協調。通過參考和分析，確定出各級傳動比i1=3.176，i2=3.095，i3=3.04。

對于單級的行星齒輪傳動，通過選用適當的齒輪高變位，使中心距等于標準中心距，嚙合角等于分度圓壓力角，節圓與分度圓重合，齒頂高無需縮短等，來降低設計難度，并滿足設計要求。為有利于均衡齒輪強度，行星輪采用正變位，太陽輪采用負變位，內齒圈采用負變位。確定各個傳動齒輪的齒數、模數、中心距、變位系數等基本參數后，根據工況和使用條件，核算齒輪的齒根彎曲及齒面接觸疲勞強度，并核定齒輪傳動參數技術設計方案。

1.2.2 減速器殼體的設計

根據連采機截割減速器的結構特點、殼體后部與前部外圈過渡處與滾筒相關截齒軌跡的防干涉、殼體加工等方面綜合考慮，連采機截割減速器殼體采用左右分體式對稱結構，如圖 3 所示。分體粗加工后，利用定位銷連接再焊接為整體結構，以避免殼體整體鑄造難度大及局部位置難以加工的問題。

圖3 減速器殼體結構Fig.3 Structure of reducer case

連采機截割減速器殼體結構復雜，溝槽、曲面和空腔構造較多，容易導致應力集中或應力較大的情況發生。因此，設計中需要充分認識殼體的受力情況和內部受力件 (齒輪、軸承) 在殼體上的定位方式和位置，以及在截割作業中負載反饋的傳遞路徑等，判斷殼體的薄弱環節，避免設計缺陷。殼體材料選用高端采煤機搖臂殼體材料，調質處理硬度可達 270 HB，屈服強度大于750 MPa，滿足使用工況要求。利用有限元軟件分析[2]，殼體最大應力為 105 MPa (在殼體二軸空腔邊緣處)，設計安全裕度較高。

2 連采機截割減速器的裝配

連采機截割減速器中的一級直齒輪、二級錐齒輪、中部浮封座、驅動盤等重要部件都是通過軸向定位的圓錐滾子軸承支承，因此圓錐滾子軸承游隙的調節、錐齒輪嚙合區域與側隙、中部浮封架主軸承游隙的調整、主軸軸向位置的調整等方面顯得尤為關鍵，若施行得當，可有效提高連采機截割減速器的裝配精度，保證其平穩運行。

2.1 錐齒輪傳動嚙合區域與側隙的調節

根據錐齒輪嚙合傳動的特點，按照先調嚙合斑點再調側隙的原則，通過在小錐齒輪大端軸承背面和小端軸承座的端面加適量墊片預緊，盤動小錐齒輪，用百分表測量小錐齒輪端面，根據測量數據增加或減少墊片，循環幾次，將軸承間隙控制在 0.05～ 0.10 mm。將組裝調好的大錐齒輪組件的軸承座端面加適量墊片預緊，轉動小錐齒輪能帶動大錐齒輪旋轉即可。

在小錐齒輪連續 3～ 5 個齒面上涂抹著色劑，轉動小錐齒輪觀察相嚙合齒面上的嚙合痕跡，根據嚙合的位置情況，調節小錐齒輪大端軸承背面和大錐齒輪組件軸承座端面處的墊片。重復上述操作，可將錐齒輪的嚙合區域調整到理想狀態，以提高傳動可靠性(見圖 4)。

圖4 錐齒輪傳動嚙合區域與側隙的調節Fig.4 Control of meshing area and side clearance of bevel gear transmission

嚙合區域調整到位后，兼顧側隙要求，通過微調大錐齒輪組件軸承座端面的墊片，將錐齒輪傳動側隙控制在 0.25～ 0.40 mm[3-4]。

2.2 中部浮封架主軸承游隙的調整

中部浮封架上的 2 個主軸承是中部滾筒截割工作時的承載部件，同時起到保證中部浮封密封效果的作用。

利用螺栓對稱施力，將 2 個中部浮封架各自固定在大錐齒輪組件的軸承座上，記錄浮封架端面與大錐齒輪組件軸承座端面的距離，測量 2 個中部浮封架內側端面距離、中部連接筒及距離座端面距離后，計算和添加相應厚度的墊片。此時拆卸中部浮封架上的螺栓后，2 個主軸承自由復位，檢測浮封架端面與大錐齒輪組件軸承座端面距離的變化，從而判斷主軸承的游隙是否達到安裝要求。

2.3 主軸軸向位置的調整

減速器錐齒輪傳動及中部傳動零部件、行星組件、外側浮動座安裝后，裝入主軸，首先根據主軸上打有標記的外花鍵與中部連接筒上標記的內花鍵配合，再裝入外側驅動盤。要求有標記的內花鍵與主軸上標記的外花鍵配合安裝，即中部連接筒與 2 個外側驅動盤上的矩形鍵槽成直線，以利于截割滾筒安裝，并可保證滾筒截齒排布的正確性。

將螺栓穿過 2 個工裝壓盤 (見圖 5) 擰入主軸預緊，用深度尺測量左右工裝外端面到主軸端面的距離，調整后要求兩側距離不大于0.2 mm，再對稱緊固左右脹套上的螺栓，使脹套將主軸和驅動盤充分緊固，此時主軸和驅動盤為靜止狀態下的極限位置。

圖5 主軸工裝壓盤Fig.5 Fastening of fixture for main shaft

取下工裝，根據已知的工裝端面到主軸端面的距離，并考慮獲得外側主軸承游隙所需的墊片厚度，用高強度螺栓將兩側壓蓋和墊片固定在主軸上，確保主軸和驅動盤在減速器中的軸向可靠定位，保證軸承游隙及浮封的密封效果，實現兩外側圓錐主軸承作為一組傳動支撐，以承擔左右滾筒復雜的截割載荷[5]。

3 加載試驗與井下應用

連采機截割減速器裝配完畢，加入重負荷齒輪油靜置 12 h 后，未有滲油現象。按照掘進機減速器加載試驗要求進行加載，關鍵部位的溫度保持恒定，運行無雜音、無滲油等現象，滿足加載試驗要求。

該連采機用于張家峁煤礦 22203 綜采面輔運順槽，平均煤厚為 8.3 m，煤層結構較復雜，含 5 層夾矸，夾矸巖性為泥巖和粉砂巖，巷道高度為 4.5 m，寬度為 5.6 m。經 3 個月工業性試驗，共進尺 1 852 m，沒有發生故障，達到了設計和使用要求。

4 結語

連采機截割減速器的生產，可有效降低我國連采裝備對國外產品的依賴，縮短配件供貨周期，降低使用成本，對于連采機關鍵部件的國產化替代和技術升級具有重大意義。