連采機(jī)截割減速器的設(shè)計(jì)與裝配

周建龍，張 星，張站民

西安煤礦機(jī)械有限公司 陜西西安 710200

連采技術(shù)是地下開采技術(shù)的重要組成部分。連采機(jī)具有采掘一體化，高效靈活等特點(diǎn)，與連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、梭車、行走支架、錨桿鉆車及鏟車等組成了短壁開采技術(shù)裝備，適用于主采區(qū)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(jìn)中也有大量運(yùn)用，其在煤巷的掘進(jìn)速度是傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)的 3～ 4 倍，可有效緩解采掘失衡矛盾。

連采機(jī)截割減速器作為連采機(jī)的主要工作部件，是將截割電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出到滾筒，并承受來自滾筒截割煤巖的復(fù)雜載荷，因此在截割減速器的設(shè)計(jì)可靠性、關(guān)鍵部件的制造質(zhì)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(shí)的高可靠性。

1 連采機(jī)截割減速器的設(shè)計(jì)

1.1 連采機(jī)截割部傳動(dòng)原理

連采機(jī)工作時(shí)，通過滾筒的旋轉(zhuǎn)、履帶的推進(jìn)和截割升降液壓缸的上下動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工作面的掏槽和煤巖的截割[1]。連采機(jī) 2 個(gè)截割電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)左右對稱布置的機(jī)械式摩擦限矩器與轉(zhuǎn)矩軸等保護(hù)裝置、左右一級直齒輪傳動(dòng)、二級圓錐齒輪傳動(dòng)、三級行星齒輪傳動(dòng)后，通過主軸合并輸出，驅(qū)動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)原理如圖 1 所示。

圖1 截割部傳動(dòng)原理Fig.1 Transmission principle of cutting unit

1.2 截割減速器的設(shè)計(jì)

連采機(jī)截割減速器主要由殼體、直齒輪、錐齒輪、型面?zhèn)鲃?dòng)軸、行星架、內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，涉及到直齒輪傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、行星傳動(dòng)、型面連接等方面，設(shè)計(jì)過程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

圖2 截割減速器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cutting reducer

1.2.1 減速器傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)國外連采機(jī)截割減速器傳動(dòng)輸出的總體要求，確定總傳動(dòng)比i=29.88。對于多級減速傳動(dòng)，按等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)，通常高速級傳動(dòng)比略大于低速級，可有效減小傳動(dòng)件的外廓尺寸，減輕質(zhì)量，改善潤滑條件，使得結(jié)構(gòu)緊湊協(xié)調(diào)。通過參考和分析，確定出各級傳動(dòng)比i1=3.176，i2=3.095，i3=3.04。

對于單級的行星齒輪傳動(dòng)，通過選用適當(dāng)?shù)凝X輪高變位，使中心距等于標(biāo)準(zhǔn)中心距，嚙合角等于分度圓壓力角，節(jié)圓與分度圓重合，齒頂高無需縮短等，來降低設(shè)計(jì)難度，并滿足設(shè)計(jì)要求。為有利于均衡齒輪強(qiáng)度，行星輪采用正變位，太陽輪采用負(fù)變位，內(nèi)齒圈采用負(fù)變位。確定各個(gè)傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、中心距、變位系數(shù)等基本參數(shù)后，根據(jù)工況和使用條件，核算齒輪的齒根彎曲及齒面接觸疲勞強(qiáng)度，并核定齒輪傳動(dòng)參數(shù)技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

1.2.2 減速器殼體的設(shè)計(jì)

根據(jù)連采機(jī)截割減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、殼體后部與前部外圈過渡處與滾筒相關(guān)截齒軌跡的防干涉、殼體加工等方面綜合考慮，連采機(jī)截割減速器殼體采用左右分體式對稱結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of reducer case

連采機(jī)截割減速器殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溝槽、曲面和空腔構(gòu)造較多，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中或應(yīng)力較大的情況發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)中需要充分認(rèn)識殼體的受力情況和內(nèi)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(yè)中負(fù)載反饋的傳遞路徑等，判斷殼體的薄弱環(huán)節(jié)，避免設(shè)計(jì)缺陷。殼體材料選用高端采煤機(jī)搖臂殼體材料，調(diào)質(zhì)處理硬度可達(dá) 270 HB，屈服強(qiáng)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(yīng)力為 105 MPa (在殼體二軸空腔邊緣處)，設(shè)計(jì)安全裕度較高。

2 連采機(jī)截割減速器的裝配

連采機(jī)截割減速器中的一級直齒輪、二級錐齒輪、中部浮封座、驅(qū)動(dòng)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(diào)節(jié)、錐齒輪嚙合區(qū)域與側(cè)隙、中部浮封架主軸承游隙的調(diào)整、主軸軸向位置的調(diào)整等方面顯得尤為關(guān)鍵，若施行得當(dāng)，可有效提高連采機(jī)截割減速器的裝配精度，保證其平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1 錐齒輪傳動(dòng)嚙合區(qū)域與側(cè)隙的調(diào)節(jié)

根據(jù)錐齒輪嚙合傳動(dòng)的特點(diǎn)，按照先調(diào)嚙合斑點(diǎn)再調(diào)側(cè)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(yù)緊，盤動(dòng)小錐齒輪，用百分表測量小錐齒輪端面，根據(jù)測量數(shù)據(jù)增加或減少墊片，循環(huán)幾次，將軸承間隙控制在 0.05～ 0.10 mm。將組裝調(diào)好的大錐齒輪組件的軸承座端面加適量墊片預(yù)緊，轉(zhuǎn)動(dòng)小錐齒輪能帶動(dòng)大錐齒輪旋轉(zhuǎn)即可。

在小錐齒輪連續(xù) 3～ 5 個(gè)齒面上涂抹著色劑，轉(zhuǎn)動(dòng)小錐齒輪觀察相嚙合齒面上的嚙合痕跡，根據(jù)嚙合的位置情況，調(diào)節(jié)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(fù)上述操作，可將錐齒輪的嚙合區(qū)域調(diào)整到理想狀態(tài)，以提高傳動(dòng)可靠性(見圖 4)。

圖4 錐齒輪傳動(dòng)嚙合區(qū)域與側(cè)隙的調(diào)節(jié)Fig.4 Control of meshing area and side clearance of bevel gear transmission

嚙合區(qū)域調(diào)整到位后，兼顧側(cè)隙要求，通過微調(diào)大錐齒輪組件軸承座端面的墊片，將錐齒輪傳動(dòng)側(cè)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(diào)整

中部浮封架上的 2 個(gè)主軸承是中部滾筒截割工作時(shí)的承載部件，同時(shí)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(gè)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(gè)中部浮封架內(nèi)側(cè)端面距離、中部連接筒及距離座端面距離后，計(jì)算和添加相應(yīng)厚度的墊片。此時(shí)拆卸中部浮封架上的螺栓后，2 個(gè)主軸承自由復(fù)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(dá)到安裝要求。

2.3 主軸軸向位置的調(diào)整

減速器錐齒輪傳動(dòng)及中部傳動(dòng)零部件、行星組件、外側(cè)浮動(dòng)座安裝后，裝入主軸，首先根據(jù)主軸上打有標(biāo)記的外花鍵與中部連接筒上標(biāo)記的內(nèi)花鍵配合，再裝入外側(cè)驅(qū)動(dòng)盤。要求有標(biāo)記的內(nèi)花鍵與主軸上標(biāo)記的外花鍵配合安裝，即中部連接筒與 2 個(gè)外側(cè)驅(qū)動(dòng)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(gè)工裝壓盤 (見圖 5) 擰入主軸預(yù)緊，用深度尺測量左右工裝外端面到主軸端面的距離，調(diào)整后要求兩側(cè)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(qū)動(dòng)盤充分緊固，此時(shí)主軸和驅(qū)動(dòng)盤為靜止?fàn)顟B(tài)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(jù)已知的工裝端面到主軸端面的距離，并考慮獲得外側(cè)主軸承游隙所需的墊片厚度，用高強(qiáng)度螺栓將兩側(cè)壓蓋和墊片固定在主軸上，確保主軸和驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)兩外側(cè)圓錐主軸承作為一組傳動(dòng)支撐，以承擔(dān)左右滾筒復(fù)雜的截割載荷[5]。

3 加載試驗(yàn)與井下應(yīng)用

連采機(jī)截割減速器裝配完畢，加入重負(fù)荷齒輪油靜置 12 h 后，未有滲油現(xiàn)象。按照掘進(jìn)機(jī)減速器加載試驗(yàn)要求進(jìn)行加載，關(guān)鍵部位的溫度保持恒定，運(yùn)行無雜音、無滲油等現(xiàn)象，滿足加載試驗(yàn)要求。

該連采機(jī)用于張家峁煤礦 22203 綜采面輔運(yùn)順槽，平均煤厚為 8.3 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jīng) 3 個(gè)月工業(yè)性試驗(yàn)，共進(jìn)尺 1 852 m，沒有發(fā)生故障，達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用要求。

4 結(jié)語

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