采煤機(jī)外牽引部潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉超華，蘇良碧，李卓明，鄭一健

（中煤平朔發(fā)展有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西朔州 036006）

0 引言

電牽引采煤機(jī)作為煤炭開(kāi)采環(huán)節(jié)最重要的設(shè)備，可有效提高生產(chǎn)效率，降低開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短開(kāi)采時(shí)間，是煤炭行業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化的重點(diǎn)研究課題之一。采煤機(jī)外牽引機(jī)構(gòu)（鏈輪箱）普遍采用鏈輪-銷排的牽引形式，為開(kāi)式齒輪傳動(dòng)方式，在運(yùn)行過(guò)程中由于缺乏有效的潤(rùn)滑，同時(shí)工作環(huán)境惡劣、沖擊性負(fù)載大，因此在工作過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生故障，包括齒軌輪損壞、導(dǎo)向滑靴斷裂等。外牽引機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的磨損必須整體更換，嚴(yán)重影響綜采工作面的生產(chǎn)效率，同時(shí)給采煤機(jī)的維護(hù)使用造成很大的困難。

1 采煤機(jī)外牽引部組成結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)分為內(nèi)牽引及外牽引兩部分，牽引電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)牽引部的各級(jí)齒輪最終傳遞給齒軌輪，帶動(dòng)齒軌輪轉(zhuǎn)動(dòng)；齒軌輪通過(guò)與銷軌嚙合的方式帶動(dòng)采煤機(jī)在刮板機(jī)上沿固定的軌道直線行走，齒軌輪為采煤機(jī)輸出牽引驅(qū)動(dòng)力。牽引機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)采煤機(jī)在割煤狀態(tài)下的移動(dòng)與非工作狀態(tài)下的調(diào)動(dòng)，同時(shí)還起到對(duì)采煤機(jī)支撐的作用。

由于采煤機(jī)自重及采煤過(guò)程中煤層阻力的原因，牽引機(jī)構(gòu)在正常割煤狀況下相當(dāng)于拖著上百噸的負(fù)荷進(jìn)行工作，在受到?jīng)_擊性負(fù)荷的情況下就會(huì)發(fā)生齒輪斷裂的情況。同時(shí)由于采煤機(jī)外牽引部采用的是開(kāi)放式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，綜采面工作環(huán)境極其惡劣，外牽引部的齒輪—銷軌結(jié)構(gòu)無(wú)法避免煤灰、粉塵、煤泥、煤渣等物質(zhì)的落入，潤(rùn)滑效果大大降低，造成外牽引部各齒輪在嚙合的過(guò)程中阻力增大，增大了齒軌輪與銷軌的磨損程度。齒軌輪與銷軌的磨損進(jìn)一步增大了外牽引機(jī)構(gòu)所承受的載荷力，設(shè)備低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)受到重載荷的影響，這些因素都會(huì)造成外牽引機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中接觸應(yīng)力增大，導(dǎo)致齒輪疲勞、形變甚至產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重情況下會(huì)使齒軌輪與銷軌之間產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象，嚙合應(yīng)力進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致齒輪齒根斷裂。

通過(guò)對(duì)某公司井工礦采煤機(jī)故障率進(jìn)行分析，進(jìn)口采煤機(jī)外牽引部齒輪的使用壽命可達(dá)6 個(gè)月甚至更久，而國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)齒輪的使用壽命只有3 個(gè)月左右。同時(shí)井下更換外牽引部齒輪的難度大，更換外牽引部需要拆掉輸送機(jī)、檔板和線槽，耗費(fèi)工時(shí)15～20 h 才能完成更換工作，極大影響綜采工作面的生產(chǎn)效率，而外牽引部各齒輪的有效潤(rùn)滑可顯著降低齒輪磨損與斷齒的發(fā)生率。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套采煤機(jī)外牽引潤(rùn)滑裝置，采用設(shè)置外置潤(rùn)滑油箱滴油潤(rùn)滑、打孔加裝注油嘴的方式，可有效解決采煤機(jī)工作過(guò)程中的潤(rùn)滑問(wèn)題。

2 牽引部潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)外牽引部通過(guò)齒軌輪與輸送機(jī)的銷軌嚙合，使采煤機(jī)沿工作面左右移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)性良好，能很好地適應(yīng)底板起伏、中心距和銷排節(jié)距的變化。但如果外牽引部各齒輪得不到有效的潤(rùn)滑，就有可能出現(xiàn)齒輪點(diǎn)蝕、磨損、斷齒等常見(jiàn)的損壞現(xiàn)象。而采煤機(jī)采用人工不定期加注潤(rùn)滑油的方式進(jìn)行潤(rùn)滑，不是持續(xù)性潤(rùn)滑，如果潤(rùn)滑不到位，將會(huì)對(duì)行走系統(tǒng)的齒輪造成嚴(yán)重的順滑。為此，提供一種針對(duì)艾柯夫采煤機(jī)行走部自動(dòng)滴油潤(rùn)滑裝置，該裝置能夠解決采煤機(jī)行走部無(wú)法潤(rùn)滑驅(qū)動(dòng)輪、中間輪和齒軌輪的問(wèn)題，通過(guò)加裝此裝置，不僅可對(duì)行走部齒輪進(jìn)行有效潤(rùn)滑，延長(zhǎng)齒輪壽命，而且還能提高經(jīng)濟(jì)效益。在裝置開(kāi)發(fā)及制作后，將其應(yīng)用在中煤平朔集團(tuán)公司采煤機(jī)上，大大降低煤機(jī)行走部的損壞率，延長(zhǎng)牽引部?jī)?nèi)齒軌輪的壽命，降低了生產(chǎn)期間行走部的更換率，保證生產(chǎn)進(jìn)度。

安裝外牽引滴油潤(rùn)滑裝置技術(shù)要求：

（1）油箱的安裝位置要合理。為了防止異物刮蹭、損壞滴油潤(rùn)滑裝置，在沒(méi)有高出采煤機(jī)體上表面的情況下，油箱的安裝位置要盡量高，以達(dá)到更好的潤(rùn)滑效果。

（2）由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以將潤(rùn)滑油傳送至相連齒輪，因此注油嘴位置布置在外牽引頂部，但應(yīng)正對(duì)被潤(rùn)滑齒輪中部，便于形成較為完整的油膜，以增強(qiáng)潤(rùn)滑效果。

（3）注油嘴滴油孔直徑應(yīng)根據(jù)使用油品的黏度進(jìn)行合理選擇，以滴油量20～30 滴/min 為宜。

（4）選用合適的潤(rùn)滑油，使用專門的開(kāi)齒潤(rùn)滑油。

2.1 滴油潤(rùn)滑裝置位置選取

采煤機(jī)牽引部由驅(qū)動(dòng)輪、中間輪和齒軌輪組成，采用立式結(jié)構(gòu)，因此采用油箱上置的方式，潤(rùn)滑油注入驅(qū)動(dòng)輪、中間輪和齒軌輪上，完成潤(rùn)滑作用。未安裝滴油潤(rùn)滑裝置的采煤機(jī)行走部結(jié)構(gòu)如圖1a）所示。

圖1 采煤機(jī)行走部結(jié)構(gòu)

由圖1 可已看出，采煤機(jī)行走部由上至下的立式結(jié)構(gòu)分別由位于頂端的驅(qū)動(dòng)輪、位于中間的中間輪和位于底部的齒軌輪組成，將油箱設(shè)置在行走部的頂部（圖1b），則潤(rùn)滑油從油箱中滲出，隨著齒輪不斷旋轉(zhuǎn)和嚙合，由驅(qū)動(dòng)輪流入中間輪，最后到達(dá)齒軌輪位置，因此油箱在行走部上方時(shí)可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑3 種齒輪的效果。該設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)省潤(rùn)滑油，還能使?jié)櫥驮诿恳粋€(gè)輪齒上充分浸染、均勻潤(rùn)滑，達(dá)到保護(hù)輪齒的目的。

2.2 滴油潤(rùn)滑裝置油液選取

根據(jù)采煤機(jī)外牽引的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，專用的潤(rùn)滑油選擇開(kāi)齒潤(rùn)滑油。特定的齒輪油需滿足多個(gè)技術(shù)要求：工作范圍廣，全年皆可使用；粘附性好，要在齒輪表面形成高黏性油膜，同時(shí)油膜要滿足厚度要求，可承受高溫、高壓、高振動(dòng)要求；抗磨損和抗銹蝕能力強(qiáng)。最終確定潤(rùn)滑脂選用克魯勃BE41-1005 低速重載潤(rùn)滑脂，其黏度系數(shù)近似1500 mm2/s，滿足FAG 油脂類LG12 要求。參考潤(rùn)滑油銷軸脂量經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)考慮齒輪尺寸以及油脂特性，確定油量約為12 mL。

2.3 滴油潤(rùn)滑裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滴油潤(rùn)滑裝置設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體容器，安裝于外牽引部頂部，根據(jù)外牽引部頂部的尺寸大小，采煤機(jī)機(jī)身的高低情況以及油量的要求，最終確定潤(rùn)滑油箱的尺寸為58 cm×52 cm×6 cm，如圖2 所示。原外牽引部加油孔孔徑為80 mm，故潤(rùn)滑裝置滴油嘴的直徑設(shè)計(jì)為75 mm，高度為20 mm，滲油孔孔徑為5 mm。

圖2 滴油潤(rùn)滑裝置

潤(rùn)滑裝置設(shè)計(jì)有檢修口和觀察口，檢修口擰入M10、材料為Q345 的螺紋桿以控制滲油孔開(kāi)關(guān)與滲漏速度，根據(jù)潤(rùn)滑油的黏度確定滴油速度，保證潤(rùn)滑油緩慢滴落，同時(shí)可用于通斷油路，在采煤機(jī)停機(jī)時(shí)節(jié)省潤(rùn)滑油。

工作原理：檢修及保養(yǎng)時(shí)，將螺紋桿旋轉(zhuǎn)到油箱底部，關(guān)閉滲油孔，防止?jié)櫥统掷m(xù)滲漏影響維修；在采煤機(jī)作業(yè)中，將螺紋桿旋轉(zhuǎn)向上，打開(kāi)滲油孔，使?jié)櫥统掷m(xù)滲漏到驅(qū)動(dòng)輪上，隨著驅(qū)動(dòng)輪與中間輪的不斷旋轉(zhuǎn)嚙合，潤(rùn)滑油進(jìn)入中間輪，相同作用機(jī)理，潤(rùn)滑油到達(dá)齒軌輪，最后經(jīng)過(guò)擠壓后成為廢油，從行走部底端流出采煤機(jī)（圖3）；當(dāng)油箱中的潤(rùn)滑油滲漏完畢時(shí)，由油箱頂端的注油口繼續(xù)加注潤(rùn)滑油，以維持齒輪潤(rùn)滑的作用，潤(rùn)滑裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 滴油潤(rùn)滑原理

圖4 潤(rùn)滑裝置三維結(jié)構(gòu)

2.4 滴油潤(rùn)滑裝置保護(hù)板設(shè)計(jì)

雖然本項(xiàng)目在采煤機(jī)行走箱殼體外部設(shè)置潤(rùn)滑油箱來(lái)解決齒輪潤(rùn)滑問(wèn)題，但潤(rùn)滑油箱外置，在采煤機(jī)移動(dòng)過(guò)程中很容易被煤塊和石頭損壞。采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，破損石塊或煤塊經(jīng)常擊打采煤機(jī)機(jī)體，由于滴油潤(rùn)滑裝置位于采煤機(jī)頂部，且油箱壁較薄，因此需要設(shè)計(jì)滴油潤(rùn)滑裝置保護(hù)板，用以保護(hù)油箱部分不受損壞。在滴油潤(rùn)滑裝置上方、采煤機(jī)頂護(hù)板前沿加裝小護(hù)板。

3 系統(tǒng)仿真

AMEsim 仿真軟件可仿真機(jī)械液壓耦合系統(tǒng)，它基于集中參數(shù)和圖形化元件數(shù)學(xué)模型，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與模態(tài)仿真，分為草圖、子模型、參數(shù)、仿真等4 種模式。仿真草圖如圖5 所示，外牽引齒輪剛性耦合連接，驅(qū)動(dòng)輪輸入給定的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)惰輪以及大齒輪傳遞給軸承，速度傳感器用來(lái)檢測(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速，油箱通過(guò)潤(rùn)滑腔潤(rùn)滑齒輪。潤(rùn)滑油脂的滴油速率保持在25 滴/min（圖6）。

圖5 仿真草圖

圖6 潤(rùn)滑時(shí)間和油滴關(guān)系曲線

油液部分采用線性插值的方法計(jì)算壓電粘滯系數(shù)。密度由數(shù)據(jù)集通過(guò)線性插值計(jì)算得到，運(yùn)動(dòng)黏度由數(shù)據(jù)集通過(guò)線性插值計(jì)算得到。通過(guò)定義3 個(gè)截然不同的點(diǎn)，利用最小二乘擬合（溫度、黏度）確定系數(shù)。油箱的油液通過(guò)潤(rùn)滑腔進(jìn)入齒輪系統(tǒng)中。

在靜態(tài)情況下，在端口1 輸入齒輪的線速度（m/s）除以半徑，以計(jì)算軸在端口2 和端口4 的轉(zhuǎn)速輸出（r/min）和端口3 復(fù)制的旋轉(zhuǎn)速度。端口1 輸出的力（N）除以端口2 和端口4 輸入的扭矩半徑（N·m），消除扭矩?fù)p失并在端口3 求和。在動(dòng)態(tài)情況下，在端口1 輸入齒的線速度（m/s）除以半徑，并用齒輪慣性旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算齒的位置。接下來(lái)使用齒的位置計(jì)算端口1 輸出的接觸力。為了計(jì)算齒輪的慣性加速度，將動(dòng)力學(xué)的基本原理應(yīng)用于齒輪慣性，利用接觸力、端口2 和端口4 的扭矩輸入（N·m）、端口3 的力和扭矩?fù)p失，由此得到加速度積分從而得到在端口2 和端口4 輸出的齒輪轉(zhuǎn)速（圖7）。仿真模型中齒輪模型有5 個(gè)等級(jí)。0 級(jí)只考慮傳動(dòng)比，1 級(jí)考慮傳動(dòng)損失，2 級(jí)計(jì)算效率，3 級(jí)計(jì)算間隙和接觸剛度，4 級(jí)計(jì)算可變接觸剛度。為保護(hù)行走機(jī)構(gòu)，裝置的齒輪選用空心軸為扭矩軸，齒輪和鏈輪采用棘爪結(jié)構(gòu)，更適應(yīng)傳遞大扭矩。模型為3 級(jí)，考慮接觸剛度和各自齒輪的慣量，參數(shù)設(shè)置中選擇計(jì)算側(cè)隙，不計(jì)算摩擦損失。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的3 個(gè)齒輪模數(shù)都是20 mm，齒數(shù)為分別13、19、21。

圖7 仿真驗(yàn)證

牽引側(cè)系統(tǒng)輸入部分考慮變頻驅(qū)動(dòng)，因此增加了不同的轉(zhuǎn)速輸入。不同頻率轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑系統(tǒng)有無(wú)摩擦的仿真結(jié)果如圖8～圖11 所示，在相同轉(zhuǎn)速下，經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑后的轉(zhuǎn)矩得到了提升，齒輪的傳遞效率增加。不同的轉(zhuǎn)速得到了相同的潤(rùn)滑效果。

圖8 干摩擦與潤(rùn)滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率12.5 Hz，轉(zhuǎn)速370 r/min）

圖9 干摩擦與潤(rùn)滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率25 Hz，轉(zhuǎn)速740 r/min）

圖10 干摩擦與潤(rùn)滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1480 r/min）

圖11 干摩擦與潤(rùn)滑轉(zhuǎn)矩曲線（頻率75 Hz，轉(zhuǎn)速2220 r/min）

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)采煤機(jī)外牽引部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)不同潤(rùn)滑方式進(jìn)行綜合比較，由于采煤機(jī)牽引部由上至下的立式結(jié)構(gòu)分別為位于頂端的驅(qū)動(dòng)輪、位于中間的中間輪和位于底部的齒軌輪組成，固將油箱放于牽引部的頂部，潤(rùn)滑油通過(guò)自身重力作用從油箱中滲出，隨著齒輪不斷旋轉(zhuǎn)和嚙合，由驅(qū)動(dòng)輪流入中間輪，最后到達(dá)齒軌輪位置，因此油箱在行走部上方時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑三種齒輪的效果。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)省潤(rùn)滑油，還能使?jié)櫥驮跔恳棵恳粋€(gè)輪齒上充分浸染，均勻潤(rùn)滑，是一種簡(jiǎn)單、有效、可靠的潤(rùn)滑方式，可達(dá)到保護(hù)輪齒的目的。

本項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

（1）潤(rùn)滑方式簡(jiǎn)單有效，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊湊，安裝過(guò)程中不需要改變?cè)擅簷C(jī)外牽引結(jié)構(gòu)。

（2）油箱為可開(kāi)閉式油箱，用帶螺紋螺栓控制開(kāi)閉口大小，以控制滴油速度。

（3）油箱護(hù)板可以保護(hù)油箱不被煤塊砸壞。

（4）可有效降低井下采煤機(jī)維修成本，單個(gè)采煤機(jī)大修周期可降低維修成本42 萬(wàn)元（圖12）。

圖12 潤(rùn)滑裝置使用前后維修成本

滴油潤(rùn)滑裝置在中煤平朔集團(tuán)各型號(hào)采煤機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用情況反饋，各銷軸潤(rùn)滑效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)管路堵塞的情況，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的效果，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。