懸臂式掘進機伸縮臂結構優化與應用

李 常

（大同煤礦集團永定莊煤業公司綜掘預備隊， 山西 大同 037024）

引言

懸臂式掘進機由于具有較高的能動性可適用于多種地質狀況，其伸縮臂是掘進機的重要部位，然而在煤礦巷道惡劣的工作環境中，會由于掘進機進行截割時產生的落煤擊打等出現故障。為保證綜掘工作面安全、高效的生產，必須對懸臂式掘進機伸縮臂進行結構優化。

1 懸臂式掘進機伸縮臂的結構及問題分析

1.1 懸臂式掘進機伸縮臂的結構

某礦采用的懸臂式掘進機伸縮臂為內伸縮式結構，包括花鍵套、軸承、保護筒、外筒、內筒和主軸等部件[1]。內筒和聯軸器都被直接固定在掘進機上，采用螺栓將外筒固定在截割減速器上，采用定位銷將花鍵固定在截割減速器的輸出軸上。其中主軸、內筒和保護筒在伸縮液壓油缸的推拉作用下完成伸縮運動。此種結構具有緊湊、占用空間小、伸縮靈活的優點。

1.2 問題分析

安裝在掘進機伸縮臂前端的軸承為調心滾子軸承，通過往軸承腔內注入潤滑油進行潤滑，采用的潤滑油為鋰基潤滑脂，軸承腔的注油口在伸縮臂的前端[2]。此種設計會造成如下問題：

1）主軸前端采用的是調心滾子軸承，這種軸承的軸向間隙過大就會導致浮動密封出現破損，一旦浮動密封失效，粉塵可通過游動密封進入軸承腔。如果粉塵中含有較多的二氧化硅（硬度比軸承采用材質的硬度大），軸承在滾動時會帶動粉塵在軸承腔內滑動，在腔內留下溝槽，長期如此溝槽會不斷擴大導致軸承的配合游隙擴大，形成惡性循環。軸承的游隙過大會造成工作時的溫升過快、過高，振動幅度、噪聲和摩擦力矩也增大，不僅使得潤滑油消耗過快，還會使得軸承壽命縮短。

2）在伸縮臂的前端設置軸承腔注油口，此設計不利于加注潤滑油，并且在掘進機掘進時容易被落煤堵塞或者被損壞，空間狹小不利于檢修。

3）采用的潤滑油為鋰基潤滑脂，油脂的潤滑持續時間持久，但散熱較慢，而且還會損壞浮動密封。采用潤滑脂對浮動密封進行潤滑，此種潤滑不利于在密封面之間形成水力潤滑，導致浮動密封無法被完全潤滑，使用壽命大幅縮短。而在軸承腔的內部，潤滑脂會因為溫度上升導致黏稠度降低，潤滑脂的密度就會縮小，潤滑性能降低，不僅會導致軸承腔內的油脂大量泄漏，還可能會導致潤滑油脂失效。潤滑性能減弱或降低一方面造成部件磨損增大，另一方面還會導致軸承的運轉扭矩增大。如果潤滑油脂過多，則會形成攪拌效應導致扭矩增大。

4）在浮動密封和軸承腔之間設置內噴霧配水裝置旋轉水密封，此種設計一旦旋轉水密封出現破損，內噴霧管路中的高壓水就會發生泄漏，不利于浮動密封的工作，并且如果軸承腔內進水，會導致軸承容易出現疲勞使用壽命縮短，還會加速部件的銹蝕，禍及整個伸縮臂。

5）采用鉆孔的螺塞作為伸縮筒的透氣孔，容易由于截割過程產生的落煤而被堵塞，透氣孔一旦堵塞就會造成腔內的壓力過高使得伸縮臂內筒與外筒之間的軸向密封破損，導致密封失效而造成保護筒端面漏油。

2 懸臂式掘進機伸縮臂結構優化

1）因為軸承運行時的游隙越小，軸承的使用壽命就會越長。為使在運行時的游隙盡可能小，常用軸承在安裝時設有軸向游隙，而圓錐子軸承在組裝時就可設置游隙。以雙外圈圓錐滾子軸承作為主軸前端軸承，其包括一個整體外圈和兩個單內環。軸承采用此種設計可以獲得更大的有效跨度，常被用于主要荷載是在傾覆力矩上的設計。因此改進后的主軸前端軸承采用雙外圈圓錐滾子軸承，依靠隔套和原螺母實現軸向預緊，保證有較高精度的定位和足夠的承載能力，還可解決因軸承軸向游隙過大導致的浮動密封損壞失效[3]。

2）對內噴霧的供水管路進行改進優化，將密封套置于伸縮臂的頂端，依靠擋塊連接主軸和實現軸向定位。采用水密封擋板和螺栓與進水套一起組合實現高壓水路的密封，該部件依靠螺栓和浮封架進行聯接。并且該部件可以直接進行整體更換，一旦高壓水封出現損壞，可以直接將該部件拆卸，安裝上備用部件，提高檢修效率，保證掘進機的開機率；對于損壞的部件可在升井后進行仔細檢查并進行更換，然后作為備用部件。利用浮動密封隔開軸承腔和內噴霧的進水套，并且進水套在軸承腔的外部，而且在軸承腔上設有漏水觀測孔，通過此孔，可以觀測軸承腔是否進水，若進水可以及時采取措施，解決因高壓水發生泄漏導致的懸臂直接損壞或腐蝕。

3）加裝一個由空氣過濾器、進氣單向閥和排氣單向閥構成的預壓式空氣濾清過濾器，采用該裝置進行透氣。在伸縮臂進行伸出動作時會吸入空氣，工作面潮濕且含有粉塵的空氣會在過濾網過濾后變成干燥潔凈的空氣通過進氣單向閥進入內腔，此時的腔內壓力在預定壓力之下，排氣單向閥為關閉的狀態。在伸縮臂進行伸出動作時，內腔中的油液的溫度會上升產生油霧，這些油霧會導致內腔中的壓力增大，當內壓高于排氣單向閥的預定壓力時，單向閥就會打開并向外排氣，避免腔內壓力過高。而在伸縮臂縮回時，排氣閥也會自動向外排氣，保證內外壓平衡。如此往復，保證掘進機伸縮臂在執行伸縮動作時穩定工作，同時延長有關部件的使用壽命。

4）由于潤滑膜的厚度和軸承的游隙會對軸承的使用壽命造成影響，而溫度直接影響這兩種因素，因此采用散熱性更好的齒輪潤滑油替代鋰基潤滑脂潤滑軸承腔。采用齒輪潤滑油不僅可以解決浮動密封損壞的問題，還可將運行時接觸面之間摩擦產生的熱量及時導出，避免熱量集聚，為浮動密封提供充分的潤滑和適宜的溫度。將注油口向后移動，避免截割煤壁時被落煤砸到，并將注油口的直徑適當擴大，便于注入潤滑油，提高為伸縮臂保養的工作效率。

3 現場應用

某礦對掘進機的伸縮臂進行結構優化后，進行了為期六個月的工業試驗，在試驗期間：掘進機進行截割作業時伸縮臂內腔的溫度由最初的80℃以上降低至現在的45℃以下，液壓元件的磨損降低，浮動密封和注油口在使用期間未出現損壞，伸縮臂的故障率大幅降低。目前，伸縮臂改進已被用于該礦的其余兩個綜掘工作面的掘進機，使用情況良好。

4 結論

對懸臂式掘進伸縮臂的優化改進采用雙外圈圓錐滾子軸承、改進內噴霧的供水管路、加裝預壓式空氣濾清過濾器和采用齒輪潤滑油替代鋰基潤滑脂的方案。經現場應用表明，此改進方案可以有效提高掘進機伸縮臂的可靠性和穩定性。