掘進(jìn)機(jī)懸臂段密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉學(xué)元，張 菲

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司, 山西 晉城 048000)

掘進(jìn)機(jī)主要用于巷道的開拓，在煤礦綜采及高檔普采工作面采掘巷道使用廣泛。煤層的破碎通常由掘進(jìn)機(jī)上的截割機(jī)構(gòu)完成，截割機(jī)構(gòu)主要由截割電機(jī)、減速器、懸臂段、截割頭組成。截割機(jī)構(gòu)是整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵組成單元，截割機(jī)構(gòu)的任何故障都會(huì)造成掘進(jìn)停機(jī)，影響煤礦的開采進(jìn)度。懸臂段是截割部的關(guān)鍵零部件之一，由主軸、軸承、浮動(dòng)密封和端蓋等零件組成，主要起傳遞扭矩的作用。浮動(dòng)密封又是懸臂段的關(guān)鍵零部件之一，能有效防止沖擊振動(dòng)工況下懸臂段內(nèi)的軸承潤(rùn)滑油發(fā)生泄露，確保懸臂段能夠正常工作。浮動(dòng)密封通常由O型密封圈和一對(duì)配對(duì)使用的浮動(dòng)密封環(huán)組成，為使O型密封圈能可靠壓緊浮動(dòng)密封環(huán)，主軸上的安裝溝槽通常需要精密加工，而安裝溝槽的幾何形狀是導(dǎo)致主軸扭斷失效的主要原因。由于原有浮動(dòng)密封的溝槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工精度達(dá)不到要求，極易引起主軸應(yīng)力集中，而導(dǎo)致主軸發(fā)生疲勞失效。因此，在懸臂段設(shè)計(jì)中，需對(duì)浮動(dòng)密封安裝結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，并利用有限元方法計(jì)算對(duì)應(yīng)主軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核，分析主軸上浮動(dòng)密封安裝的結(jié)構(gòu)改變后對(duì)其強(qiáng)度變化的影響，這對(duì)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。

1 懸臂段浮動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)及功能

1.1 懸臂段的組成及作用

縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂段主要由主軸和懸臂筒組成，見圖1. 主軸通過軸承安裝在懸臂筒中，一端以花鍵的形式與截割減速器相連，另一端以法蘭形式與截割頭相連，并將減速器的輸出扭矩傳遞到截割頭上，避免截割頭與巖石接觸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊對(duì)減速器內(nèi)部傳動(dòng)零部件的壽命造成影響。在掘進(jìn)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的限制條件下，通常采用1組或2組軸承作為主軸的支撐點(diǎn)，并采用在軸承安裝腔體內(nèi)加注潤(rùn)滑油的形式進(jìn)行潤(rùn)滑。通常帶有內(nèi)噴霧功能的截割頭還需要在懸臂段上設(shè)計(jì)配水裝置，高壓水從A口進(jìn)入主軸并由B口送至截割頭中，實(shí)現(xiàn)降溫抑塵作用。

圖1 懸臂段的結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 浮動(dòng)密封的特點(diǎn)及作用

浮動(dòng)密封是一種集浮環(huán)密封、間隙密封和梳齒密封于一體，并運(yùn)用油膜的張力有效阻止泄漏的一種高性能密封，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、石化、冶金等存在重載沖擊的設(shè)備領(lǐng)域。應(yīng)用的設(shè)備主要有汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、切割機(jī)、給水泵、螺旋輸送機(jī)、壓縮機(jī)，也用于各種水輪機(jī)、減速機(jī)等。傳統(tǒng)的浮動(dòng)密封采用O型橡膠圈壓緊密封環(huán)，由兩個(gè)對(duì)稱的類錐形截面的密封環(huán)和兩個(gè)O型圈組成，密封環(huán)的密封面經(jīng)過配對(duì)研磨后成套使用，見圖2. O型橡膠圈的一側(cè)表面套在密封環(huán)上，在支撐唇的阻擋作用下，其另一側(cè)表面與零部件的緊固錐面接觸。為使O型橡膠圈可靠固定在溝槽中，對(duì)溝槽的幾何形狀和加工精度都有嚴(yán)格的要求，見圖3，溝槽表面需要加工3段連續(xù)相切的圓弧，為保證溝槽傾斜表面與O型圈接觸產(chǎn)生的摩擦力能夠平衡O型圈受壓后產(chǎn)生的軸向彈性恢復(fù)力，各段圓弧段上的表面粗糙度要求不同。此外，為確保O型橡膠被壓縮后能產(chǎn)生足夠的軸向彈性恢復(fù)力使密封環(huán)的密封面實(shí)現(xiàn)緊密貼合，這種浮動(dòng)密封對(duì)存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)零部件間的間隙要求較為嚴(yán)格。幾何形狀的精度和表面質(zhì)量或相對(duì)旋轉(zhuǎn)的零件間的裝配間隙達(dá)不到設(shè)計(jì)要求都會(huì)對(duì)浮動(dòng)密封的使用壽命造成較大影響。

圖2 傳統(tǒng)浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 傳統(tǒng)浮動(dòng)密封安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 懸臂段現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問題

2.1 浮動(dòng)密封失效

由于截割頭長(zhǎng)期在井下煤泥或巖石中截割，當(dāng)磨顆尺寸小于浮動(dòng)密封安裝規(guī)定的相對(duì)旋轉(zhuǎn)部件間的最小間隙時(shí)，就會(huì)與O型橡膠圈接觸，在截割振動(dòng)的作用下，細(xì)小的顆粒會(huì)嵌入緊固錐面與O型橡膠圈形成的楔形空間中，導(dǎo)致浮動(dòng)密封裝置失效。

浮動(dòng)密封失效后，懸臂段腔體內(nèi)的潤(rùn)滑油會(huì)發(fā)生泄漏并伴隨著懸臂段工作溫度顯著升高，使O型密封圈在高溫下逐漸失效。如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的故障，尺寸較小的顆粒和工作粉塵將會(huì)逐漸進(jìn)入懸臂段腔體內(nèi)，使軸承滾道進(jìn)一步發(fā)生磨損。隨著掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)工作，在缺油狀態(tài)下軸承的工作溫度迅速升高，軸承內(nèi)外圈可能發(fā)生漲裂，同時(shí)密封環(huán)也會(huì)在熱和沖擊作用下發(fā)生斷裂。由于浮動(dòng)密封失效造成懸臂段無法正常旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)無法繼續(xù)截割作業(yè)。浮動(dòng)密封更換和安裝過程中，對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的零部件之間的間隙和緊固錐面內(nèi)的清潔度有嚴(yán)格要求，而井下現(xiàn)場(chǎng)條件通常無法達(dá)到，因此要更換掘進(jìn)機(jī)整套懸臂段，嚴(yán)重影響采掘進(jìn)度。

2.2 主軸斷裂失效

由于井下地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，掘進(jìn)機(jī)的工作條件可能會(huì)超出設(shè)備本身的適用范圍。在振動(dòng)、沖擊及懸臂段缺油導(dǎo)致的高溫條件下很可能導(dǎo)致主軸疲勞失效。常見的失效形式為從主軸后端的花鍵退刀槽位置斷裂或從前端安裝浮動(dòng)密封的軸向變截面位置斷裂。

位于主軸后端的花鍵退刀槽位置的軸徑是整個(gè)主軸結(jié)構(gòu)直徑最小的區(qū)域。當(dāng)花鍵加工成后，該區(qū)域的有效直徑進(jìn)一步減小，導(dǎo)致該軸端對(duì)應(yīng)的抗扭截面模量進(jìn)一步降低。在掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，截割不同硬度的煤體或巖體時(shí)，較小的軸徑無法承受瞬時(shí)較大的扭矩變化，長(zhǎng)期處于這種工況條件下，主軸將可能發(fā)生損壞。此外，主軸前端由安裝法蘭盤向主軸軸身過度的結(jié)構(gòu)中，存在著劇烈的截面變化，且該區(qū)域中還同時(shí)存在復(fù)雜幾何形狀的浮動(dòng)密封溝槽，因此這一區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響主軸的工作可靠性。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

3.1 浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為避免在幾何尺寸相對(duì)較大的零件上加工細(xì)微的精密結(jié)構(gòu)，降低主軸的制造難度，確保浮動(dòng)密封的可靠性，改進(jìn)設(shè)計(jì)的懸臂段采用Z型密封結(jié)構(gòu)，見圖4. 該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)對(duì)稱的類錐形截面的密封環(huán)和兩個(gè)Z形橡膠圈組成。橡膠圈的下表面安裝在密封環(huán)外側(cè)，上表面與零件溝槽表面完全貼合，當(dāng)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)零件間隙達(dá)到規(guī)定值時(shí)，在Z型橡膠圈彈性恢復(fù)作用下，密封環(huán)的密封面被完全壓緊，達(dá)到密封的使用效果。密封環(huán)采用含有特殊潤(rùn)滑劑的鑄鐵材料，具有很高的硬度，同時(shí)又具有良好的耐腐蝕性。Z型浮動(dòng)密封不需要在零件上加工帶有突唇結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何形狀，可以有效降低零件溝槽的加工難度，提高加工精度，延長(zhǎng)浮動(dòng)密封的使用壽命，同時(shí)具有更好的密封效果。

圖4 Z型浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)零件工作時(shí)，密封環(huán)之間會(huì)形成 “V”形的縫隙，在處于浸入潤(rùn)滑油的工作條件下，能利用毛細(xì)作用和離心力，使?jié)櫥唾N附到金屬密封面，使密封環(huán)的接觸面獲得充分潤(rùn)滑，并能促進(jìn)其快速散熱冷卻，防止發(fā)生冷焊現(xiàn)象。由于密封環(huán)采用了“V”型結(jié)構(gòu)形式，因此能夠有效增加浮動(dòng)密封的使用壽命。此外，這種設(shè)計(jì)可以使其密封面外邊緣形成一層很明顯的油膜，在維護(hù)過程中，若有油膜存在，則說明了浮動(dòng)密封處于正常工作狀態(tài)。

該結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)O型密封圈結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，并可獲得更高的加工精度，是未來掘進(jìn)機(jī)密封元件的選型方向。

3.2 主軸強(qiáng)度的校核計(jì)算

針對(duì)選用Z型浮動(dòng)密封后主軸上溝槽幾何形狀的變化，結(jié)合實(shí)際使用過程中主軸發(fā)生的疲勞失效的情況建立對(duì)應(yīng)的三維模型，利用有限元計(jì)算的方法對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，驗(yàn)證溝槽安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)后主軸設(shè)計(jì)的可靠性。為避免主軸在花鍵退刀槽部分發(fā)生疲勞斷裂，并充分考慮與其連接的減速器花鍵安裝孔的設(shè)計(jì)條件，將花鍵軸直徑增加5%～8%，花鍵齒數(shù)相應(yīng)增加，見圖5. 在靜連接、中等制造精度以及齒面經(jīng)過熱處理的條件下，齒面擠壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為21 MPa，降低約11%，滿足使用要求。同時(shí)增加由花鍵位置向軸承安裝位置的主軸徑向尺寸，使主軸抗扭轉(zhuǎn)能力得以提高。由于安裝軸承的位置和軸徑均未調(diào)整，因此懸臂段殼體結(jié)構(gòu)無變化，軸承的受力及對(duì)應(yīng)的壽命計(jì)算結(jié)果也均未發(fā)生明顯變化。應(yīng)用SolidWorks建立三維模型，并采用Simulation模塊進(jìn)行有限元計(jì)算，其結(jié)果見圖6.

圖5 懸臂段主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖6 主軸應(yīng)力分析圖

對(duì)法蘭的端面和側(cè)面進(jìn)行固定約束，將減速器輸出的扭矩施加在花鍵位置的軸段上，為避免對(duì)花鍵收尾處的復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分、提高計(jì)算效率，在有限元分析中，對(duì)花鍵進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。主軸材料選用42CrMo，對(duì)應(yīng)的平均工作扭矩為80 kN·m，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖6.

分析結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)改進(jìn)前后，較高的應(yīng)力主要分布于花鍵退刀區(qū)域及相鄰的各段軸上，均低于主軸材料的屈服強(qiáng)度，且改進(jìn)后計(jì)算應(yīng)力最大值可降低約6%，密封溝槽幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)主軸強(qiáng)度變化影響不明顯。在設(shè)計(jì)使用壽命為5 000 h，轉(zhuǎn)速為31 rpm的條件下，對(duì)改進(jìn)后的主軸進(jìn)行疲勞分析的結(jié)果顯示，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均處于安全范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

采用ANSYS對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果見圖7. 一階和二階模態(tài)頻率都接近于100 Hz，而掘進(jìn)機(jī)截割頭工作時(shí)由截割頭破巖所產(chǎn)生的頻率通常低于10 Hz，因此截割頭工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)主軸本身的影響較小，改進(jìn)后的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié) 語

以懸臂式掘進(jìn)機(jī)懸臂段密封系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)懸臂段出現(xiàn)的腔體內(nèi)部進(jìn)入污物和主軸斷裂等問題，進(jìn)行了分析研究，提出了相應(yīng)的解決方案。

圖7 主軸模態(tài)分析結(jié)果圖

1) 采用了新型的梯形圈浮動(dòng)密封替代了傳統(tǒng)的“O”型圈浮動(dòng)密封。新型浮動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單，加工精度高，密封性能好，可有效地阻止腔體內(nèi)部污物進(jìn)入，解決了懸臂段腔體內(nèi)部進(jìn)入污物的問題。

2) 采用了調(diào)整主軸結(jié)構(gòu)和尺寸的方法，對(duì)安裝在主軸上的浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并利用分析軟件對(duì)主軸工作性能進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力相對(duì)原結(jié)構(gòu)可降低6%，改進(jìn)后的主軸設(shè)計(jì)安全可靠。