刮板機減速器的現(xiàn)狀及發(fā)展研究

王偉

（太重煤機有限公司重型減速機公司，太原030032）

0 引言

刮板機減速器屬于硬齒面齒輪傳動機械的一種，是煤礦刮板機專用的齒輪傳動設(shè)備，其可靠性直接影響著煤炭的開采效率。由于煤炭開采的特點，致使刮板機減速器在使用中面臨如載荷的不穩(wěn)定性、嚴重的沖擊震動、粉塵顆粒物含量多、空間狹小等惡劣工況。同時減速器安裝為側(cè)掛式，驅(qū)動電動機懸掛在減速器前面，減速器作為傳動件的同時還扮演著支撐件的角色。由于以上不利因素，刮板機減速器經(jīng)常出現(xiàn)打齒、斷軸、密封失效等故障，而隨著煤炭開采向更高效發(fā)展，需要更高水平的煤礦機械產(chǎn)品支撐煤炭行業(yè)發(fā)展，要求刮板機減速器具有更佳的承載能力和應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性。所以研究刮板機減速器的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析問題原因并解決是刮板機減速器研究中的重點問題。

1 國外刮板機減速器的研究現(xiàn)狀

刮板輸送機減速器的發(fā)展隨著刮板機的發(fā)展在20世紀(jì)基本經(jīng)歷了3個階段。第一階段是在20世紀(jì)初期，英國最先研制了刮板輸送機，當(dāng)時的刮板機減速器特點是結(jié)構(gòu)簡單、功率小、可靠性低；第二階段從20世紀(jì)50年代初開始，出現(xiàn)了高效重型可彎曲刮板輸送機，運量不斷增大，減速器傳遞功率也有了很大提高，開始出現(xiàn)了行星結(jié)構(gòu)，并逐步應(yīng)用硬齒面齒輪精加工技術(shù)；第三階段是20世紀(jì)80年代中后期，為了提高采煤工作面的產(chǎn)量和工效，降低生產(chǎn)成本，增強市場競爭能力，提高經(jīng)濟效益，刮板輸送機向超大功率、超大運量、超長運距、高強度、長壽命以及高可靠性方向發(fā)展，其功率和運量比第二階段增大2～3倍[1]。此時的刮板機減速器開始使用新材料，Cr-Ni-Mo系低碳合金鋼的使用，使齒輪強度大幅提高。DBT公司生產(chǎn)的刮板輸送機最長的使用長度已達500 m長的工作面，JOY公司生產(chǎn)的刮板輸送機單電動機功率最大已達到1600 kW，并成功應(yīng)用變頻電動機、可控軟起動技術(shù)、工況監(jiān)測及自動控制技術(shù)[2]。研究手段上，國外已經(jīng)全部采用三維設(shè)計，在對整機進行建模的基礎(chǔ)上進行有限元分析、動態(tài)仿真分析、結(jié)構(gòu)分析，使整機的設(shè)計壽命能夠達到100 000 h以上，并注重綠色設(shè)計理念，易損件設(shè)計為可快速更換結(jié)構(gòu)，延長整機系統(tǒng)的使用壽命。目前國外主要研究刮板機減速器的更高可靠性、輕量化以及智能化，以適應(yīng)目前的現(xiàn)代化煤炭開采需求。

2 國內(nèi)刮板機減速器的研究現(xiàn)狀

國產(chǎn)刮板輸送機減速器的研制及使用起步較晚。建國初期，當(dāng)國外已經(jīng)開始進入綜采機械化時，我國的煤礦機械剛剛走出仿制階段[3-15]，20世紀(jì)70年代初我國從國外引進了一批刮板輸送機，經(jīng)消化、吸收并加以改進，發(fā)展了我國的刮板輸送機，刮板機減速器作為動力部部件開始自行設(shè)計制造。近年來，我國的刮板輸送機發(fā)展很快，功率檔次越來越大，已發(fā)展到目前的3×1600 kW。國產(chǎn)減速器制造功率最大為1600 kW，基本實現(xiàn)了自主設(shè)計制造，然而在產(chǎn)品可靠性、創(chuàng)新性、先進性等方面與進口減速器還存在明顯差距。國內(nèi)生產(chǎn)制造的刮板機減速器，同等功率機型較國外產(chǎn)品重量重20%左右。研發(fā)手段雖然也逐步應(yīng)用三維設(shè)計，但基本都是驗證二維設(shè)計，有限元分析、流體分析、振動特性分析、熱力場分析等基本沒有應(yīng)用，沒有充分發(fā)揮三維設(shè)計的先進性。

據(jù)國家安標(biāo)中心數(shù)據(jù)，具備礦用減速機生產(chǎn)資質(zhì)的企業(yè)多達上百家。國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家且銷售過億的有張家口煤機、西北煤機、太重煤機重減公司、山西維達、天津沃德等企業(yè)。其中張家口煤機、西北煤機是刮板機制造企業(yè)，減速器屬于附件制造，其他都是專業(yè)廠家。研發(fā)實力較強的有張家口煤機、西北煤機、太重煤機以及天津沃德。雖然國內(nèi)制造廠家較多，但是真正對該領(lǐng)域關(guān)注和研究的人員較少，我國的刮板機減速器研究制造發(fā)展較其他領(lǐng)域齒輪產(chǎn)品發(fā)展緩慢，幾乎每次改進都是首先由國外發(fā)起，而后我們引進、消化、吸收，這就使得我們在刮板機減速器這一專用減速器領(lǐng)域長期以來非常被動。值得肯定的是天津沃德起點高，目前正在研究智能化減速機，并已應(yīng)用遠程狀態(tài)監(jiān)測。太重煤機重減公司設(shè)計制造出可獨立運行的減速機監(jiān)測系統(tǒng)，正在進行穩(wěn)定性測試。國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品的差距體現(xiàn)在同等質(zhì)量的承載能力以及工作的可靠性，國內(nèi)產(chǎn)品普遍笨重，產(chǎn)品壽命平均在1～2 a，而國外同類產(chǎn)品可使用3 a以上。目前情況是，國內(nèi)能夠制造出滿足使用的全功率系列減速機產(chǎn)品，也能形成一定規(guī)模，但是缺少在世界上有影響力的產(chǎn)品和領(lǐng)軍品牌，產(chǎn)量和銷售額能夠占據(jù)國內(nèi)市場80%左右，然而利潤相對較低。生產(chǎn)制造廠家能力參差不齊，尤其是一些小功率機型存在低端制造。

3 刮板機減速器存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

目前國內(nèi)外生產(chǎn)制造的刮板機減速器，已經(jīng)解決了“大”的問題，能夠滿足目前年產(chǎn)千萬噸級煤礦的需求。結(jié)構(gòu)型式上也比較豐富，能夠滿足不同安裝方式的需求。核心零件齒輪經(jīng)過百年發(fā)展已經(jīng)趨于完善，制造技術(shù)也歷經(jīng)幾次升級，已能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工。金屬材料也已經(jīng)由原來的普通碳鋼，到Cr-Mn-Mo（Ti）系低碳合金鋼，再到如今的Cr-Ni-Mo系低碳合金鋼，如果沒有重大材料方面進展，其在原材料使用上也難有突破。雖然經(jīng)過幾十年的研究，刮板機減速器可靠性有了很大提高，但是依然不能滿足煤礦開采需求。具體來說主要有以下幾方面內(nèi)容：

1）減速器在帶載或者滿載工況下啟動經(jīng)常發(fā)生的打齒、斷軸故障。刮板機減速器經(jīng)常出現(xiàn)有載啟動，啟動瞬間轉(zhuǎn)矩可達額定載荷的2.5倍左右，由于齒輪間隙的存在，對齒輪和軸的沖擊更大，在這樣的情況下，會大大降低齒輪、軸的使用壽命。瞬時過載和沖擊載荷是導(dǎo)致齒輪打齒、軸斷裂的主要原因。

2）煤礦工況下的密封失效問題。密封失效是礦用減速機的常見故障，輕者表現(xiàn)為潤滑油滲漏，造成油品浪費，污染其他零部件。重者可造成潤滑不良，導(dǎo)致軸承損壞等嚴重問題發(fā)生，同時也會造成煤粉顆粒進入減速機內(nèi)部，縮短軸承及齒輪壽命。

3）如何長久地控制整機運行溫度。刮板機減速器的冷卻方式主要靠冷卻水循環(huán)水冷，這在使用初期可得到較理想效果，然而隨著使用時間的推移，加之煤礦冷卻水水質(zhì)不佳，使用一段時間后造成換熱效率下降，減速器運行溫度升高，有的可達100℃以上。高溫運行下加速潤滑油老化，進而導(dǎo)致機械部件故障。

4）減速器故障的早期診斷和運行數(shù)據(jù)監(jiān)測。故障診斷在刮板機減速器中目前還處于應(yīng)用研究階段，這一技術(shù)對于刮板機減速器具有重要意義，早期輕微故障做到早發(fā)現(xiàn)早排除，可避免由于繼續(xù)帶病運轉(zhuǎn)造成的整機報廢事故。

3.2 發(fā)展趨勢

1）高可靠性。通過研究應(yīng)用類似如CST軟啟動技術(shù)，提高減速器應(yīng)對啟動沖擊載荷的能力，同時密封結(jié)構(gòu)和密封件應(yīng)用更加個性化的設(shè)計，提高密封性能，冷卻系統(tǒng)設(shè)計換熱效率更穩(wěn)定的部件，通過這些方式提高整機的可靠性。

2）輕量化。輕量化設(shè)計是一種先進的設(shè)計理念，通過降低箱體、軸齒類零件重量進而降低整機重量，使減速器更易于運輸和安裝維護。

3）智能化。通過增加不同類型傳感器，并輔以信號處理設(shè)備，監(jiān)測模塊可集成于減速器之上，通過信號的監(jiān)測，數(shù)據(jù)分析，早期發(fā)現(xiàn)故障并解決，還可通過信號傳輸控制停機，太重煤機已制造出一代監(jiān)測樣機。

4）大型化。由于國家對于煤礦的關(guān)停整合，以后煤礦的產(chǎn)量會越來越高，大型煤礦越來越集中，這樣礦用減速器也會越來越大型化，所以各生產(chǎn)制造企業(yè)應(yīng)重點研發(fā)大功率刮板機減速器。

4 結(jié) 語

刮板機減速器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，仍然存在一些問題。我國的刮板機減速器技術(shù)及產(chǎn)品可靠性均與世界先進水平有較明顯差距，而煤礦開采機械化、自動化、大型化趨勢下的今天對煤礦機械設(shè)備提出了越來越高的要求，所以對企業(yè)和社會來說,為了實現(xiàn)該類產(chǎn)品的性能提升,應(yīng)該加大對大功率刮板機減速機的研究優(yōu)化。研究的重點在于如何實現(xiàn)減速器的“一性三化”，即高可靠性、輕量化、智能化和大型化。

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