低矮型掘進機裝載驅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，一是液壓馬達驅動減速器帶動星輪的方式，二是低速大扭矩馬達直接驅動星輪，以實現被截割的物料裝載進入應用，再通過橋式轉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計要求，裝載機構采用馬達驅動減速器的方案，設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的參數分配要求。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的成本。

1 裝載減速器的應用

在裝載機構的設計及選型過程中，減速器選用某知名廠家的非標設計，減速器運行扭矩7 300 N·m，最大扭矩10 700 N·m，輸出轉速30 r/min。整機在井下進行工業性試驗，此減速器在使用一個月后，輸出端出現漏油、最后卡轉等現象，拆解后發現此減速器的輸出軸端處為骨架密封加迷宮結構的密封形式，見圖1，油封已損壞，減速器內積滿了淤泥等雜質。由于廠家設計人員不清楚井下減速器的工作環境，選用了不當的密封形式。

圖1 減速器初始結構圖

經過在此結構基礎上的維修，采用浮動密封加迷宮結構的密封形式，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。但經過兩個月的使用，出現漏油，密封性能明顯降低，耗油量加大等現象[2]。

圖2 減速器維修結構圖

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，通過對比相關減速器的結構設計與分析，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；而中間軸選用調心滾子軸承的支撐方式，有效減小輪齒偏載，見圖3。經過近6 個月的使用，沒有出現漏油、卡轉等現象[3]。

圖3 減速器改進結構圖

3 低速大扭矩馬達驅動方案設計

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

圖4 低速大扭矩馬達驅動結構圖（單位：mm）

3.1 驅動軸危險截面的校核

根據軸的結構、實際尺寸，考慮軸的表面質量、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Sτ=1.6，略大于疲勞強度計算的許用安全系數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Ssτ=3.8，大于靜強度的許用安全系數Ssp=2.2。

結合實際情況，驅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格較小、齒的結合長度較短而造成的。根據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，針對花鍵規格小且結合長度短，要提高有沖擊載荷時的花鍵聯接可靠性，就需選用高強度的合金鋼，結合熱處理工藝、齒面淬火或滲氮等，提高齒面硬度。

4 結語

根據低矮型巖巷掘進機的總體要求，裝載機構選用減速器作為驅動裝置，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的問題，改用浮動密封加迷宮結構作為輸出軸的端面密封，并重新設計減速器各軸的支撐方式來提高浮封的使用壽命，浮動密封結構簡單，密封可靠，適應惡劣工況，已廣泛應用于煤機裝備領域；選用緊湊型液壓馬達直接驅動轉盤的方式來互換減速器，其故障點少、結構簡單、成本低，有較好的經濟效益。