低矮型掘進機裝載驅(qū)動裝置的應用與改進

周建龍， 盧團部， 鞏孔正

（西安煤礦機械有限公司， 陜西 西安 710032）

引言

目前，掘進機裝載物料的方式主要有兩種，一是液壓馬達驅(qū)動減速器帶動星輪的方式，二是低速大扭矩馬達直接驅(qū)動星輪，以實現(xiàn)被截割的物料裝載進入應用，再通過橋式轉(zhuǎn)載機或刮板機輸送到主皮帶等，完成物料從工作面到后方的運輸[1]。

本文針對低矮型巖巷掘進機的總體設(shè)計要求，裝載機構(gòu)采用馬達驅(qū)動減速器的方案，設(shè)計出薄型鏟板來降低鏟板的厚度，比同類機型采用低速大扭矩馬達的鏟板厚度減少近100 mm，滿足了總體對裝載機構(gòu)的參數(shù)分配要求。整機高度1.65 m，機身寬度2.7 m，較好適應8～19 m2斷面，適合小斷面巷道的掘進，直接降低了巷道開采及物料運輸?shù)某杀尽?/p>

1 裝載減速器的應用

在裝載機構(gòu)的設(shè)計及選型過程中，減速器選用某知名廠家的非標設(shè)計，減速器運行扭矩7 300 N·m，最大扭矩10 700 N·m，輸出轉(zhuǎn)速30 r/min。整機在井下進行工業(yè)性試驗，此減速器在使用一個月后，輸出端出現(xiàn)漏油、最后卡轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，拆解后發(fā)現(xiàn)此減速器的輸出軸端處為骨架密封加迷宮結(jié)構(gòu)的密封形式，見圖1，油封已損壞，減速器內(nèi)積滿了淤泥等雜質(zhì)。由于廠家設(shè)計人員不清楚井下減速器的工作環(huán)境，選用了不當?shù)拿芊庑问健?/p>

圖1 減速器初始結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的維修，采用浮動密封加迷宮結(jié)構(gòu)的密封形式，見圖2。浮動密封抗污染能力強、耐磨、耐沖擊、端面磨損能自動補償，廣泛用于煤礦機械的端面密封上。但經(jīng)過兩個月的使用，出現(xiàn)漏油，密封性能明顯降低，耗油量加大等現(xiàn)象[2]。

圖2 減速器維修結(jié)構(gòu)圖

2 裝載減速器的改進

由于此低矮型掘進機主要用于煤礦小斷面底抽巷道的掘進，屬于巖石巷道，工況惡劣。星輪在裝載物料時，減速器受到劇烈的沖擊，其輸出軸主要受到很大的徑向載荷，通過對比相關(guān)減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，判斷減速器中軸的支撐方式是影響浮動密封失效的主要因素，輸出軸端處的調(diào)心滾子軸承在滾子和滾道磨損后游隙會急劇增加，導致浮動密封效果差，壽命減少。通過重新設(shè)計減速器各軸的支撐方式，錐齒輪軸與輸出軸選用圓錐滾子軸承支撐，來增強軸的支撐剛度；而中間軸選用調(diào)心滾子軸承的支撐方式，有效減小輪齒偏載，見圖3。經(jīng)過近6 個月的使用，沒有出現(xiàn)漏油、卡轉(zhuǎn)等現(xiàn)象[3]。

圖3 減速器改進結(jié)構(gòu)圖

3 低速大扭矩馬達驅(qū)動方案設(shè)計

低速大扭矩馬達直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤進行物料的裝載，是目前掘進機裝載驅(qū)動裝置的主流配置，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易維護、成本低。鑒于低矮型巖巷掘進機的總體設(shè)計要求，鏟板厚度薄，而應用的CA5032 等馬達裝載驅(qū)動裝置高度較高，與鏟板裝配發(fā)生很大干涉，不能應用。選用某廠家新開發(fā)的緊湊型液壓馬達重新設(shè)計驅(qū)動裝置，減小其高度，并與減速器具有互換性，見圖4。對比新設(shè)計的驅(qū)動軸與采用CA5032 馬達的驅(qū)動軸，新驅(qū)動軸危險截面尺寸為Φ72 mm，花鍵為DIN5480-W70×3×30×22×9e，規(guī)格尺寸明顯小于后者。因此，需要對軸的危險截面和花鍵進行疲勞強度、靜強度以及花鍵聯(lián)接的校核等[4]。

圖4 低速大扭矩馬達驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3.1 驅(qū)動軸危險截面的校核

根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)、實際尺寸，考慮軸的表面質(zhì)量、應力集中、尺寸影響以及材料的疲勞極限等因素，來驗算軸危險截面處的疲勞安全系數(shù)Sτ=1.6，略大于疲勞強度計算的許用安全系數(shù)Sp=1.5。

校驗軸對塑形變形的抵抗能力，即校核軸危險截面的靜強度安全系數(shù)Ssτ=3.8，大于靜強度的許用安全系數(shù)Ssp=2.2。

結(jié)合實際情況，驅(qū)動軸的失效主要是疲勞引起的，因此，要通過提高此處危險截面的表面質(zhì)量、合適的熱處理工藝以及表面強化措施等，提高其疲勞強度。

3.2 驅(qū)動軸花鍵的校核

為避免鍵齒工作表面壓潰，利用花鍵連接強度的通用計算方法，σp=120 MPa，此值與許用擠壓應力接近，連接強度會存在一些問題，這主要是由于選用的花鍵規(guī)格較小、齒的結(jié)合長度較短而造成的。根據(jù)花鍵承載能力的精確計算法來驗算，通過計算齒面接觸強度、齒根彎曲強度、齒根剪切強度等其值分別為128.8 MPa、267.8 MPa、129.6 MPa，都各自接近對應的許用應力[5]。

可見，針對花鍵規(guī)格小且結(jié)合長度短，要提高有沖擊載荷時的花鍵聯(lián)接可靠性，就需選用高強度的合金鋼，結(jié)合熱處理工藝、齒面淬火或滲氮等，提高齒面硬度。

4 結(jié)語

根據(jù)低矮型巖巷掘進機的總體要求，裝載機構(gòu)選用減速器作為驅(qū)動裝置，減小了鏟板體厚度，壓低了機身高度。針對減速器在使用中出現(xiàn)的問題，改用浮動密封加迷宮結(jié)構(gòu)作為輸出軸的端面密封，并重新設(shè)計減速器各軸的支撐方式來提高浮封的使用壽命，浮動密封結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，適應惡劣工況，已廣泛應用于煤機裝備領(lǐng)域；選用緊湊型液壓馬達直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的方式來互換減速器，其故障點少、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，有較好的經(jīng)濟效益。