采煤機搖臂齒輪傳動系統攪油損失分析

薄翔宇

（同煤集團四老溝礦，山西大同 737001）

0 引言

在進行煤炭開采作業時，采煤機作為必不可少的儀器設備，是決定采煤生產效率以及生產穩定性的重要環節。采煤機發揮功能的核心是截割傳動系統，該系統對電力的消耗量巨大，幾乎占據了設備做功的4/5。齒輪部件損耗功率的種類主要是3類，軸承損耗、攪油損耗、嚙合損耗。在這3種類型中，攪油損耗量要符合潤滑油系統要求。以上3種功率損耗最終都轉化成了熱能，使得潤滑油系統以及整個系統的所持溫度急劇增加，導致潤滑效果變差，齒輪和軸承連接處損傷，進而降低了采煤機的所有性能。因此，本文分析了采煤機搖臂齒輪傳動系統攪油損失，提出了計算單級齒輪攪油損失的兩種方法，并進行核算，兩種方法計算出的結果差異較小。

1 搖臂齒輪傳動結構特點

采煤機運行功率是1 200 kW，主要系統是搖臂齒輪傳動系統，其結構構成復雜，如圖1所示。系統中的截割搖臂是利用鉸接的形式和鏈接架以及牽引部外殼接觸連接起來。同時，在與鏈接架接觸部位加入高壓油，使得搖臂出現升降和搖擺，其中擺動的幅度在0°～55°。這種動作機制是：截割傳動系統存在的直齒輪部件，能夠實現降低速度以及傳動作用，然后截割電機產生的的動能傳輸到行星減速系統中，動能在減速系統的作用下縮減，利用行星架部件傳送到截割滾筒內，從而推動滾筒進行運轉，提高了煤礦的開采速率。另一方面，截割電機設備的安置部位在搖臂根部，動能傳送的距離太遠，因此這條動能傳輸路線應用了多層次的長鏈齒輪以及行星減速傳動系統，從而改善了傳動系統的傳輸性能[1]。

圖1 采煤機截割部結構組成圖

2 齒輪功率損耗與潤滑油池

采煤機中的截割傳動系統把攪油過程中損耗的能量都轉化成了熱能，而且很大一部分熱能都被潤滑油利用了，所以攪油損耗的能量越多，潤滑油所持的溫度值就越大。另外，潤滑系統的運行需要油池來進行潤滑，并且將轉化成的熱能進一步應用。

在搖臂結構和行星傳動體系的空隙內添加油封，潤滑油池便被分開，變成了兩個相對獨立的油池。所以，搖臂滾筒在持續升降時，搖臂體和行星傳動系統兩個油池中都依然含有相同的潤滑油液，這就實現了齒輪和軸承之間的潤滑效果。

3 單級齒輪攪油損耗的核算

齒輪在攪油過程中損耗的性能包括多個參數，潤滑油因數fg便是相對特殊的參數，其大小和齒輪件作業時浸油的高度有關聯。

齒輪件作業時，潤滑油不足，即fg=0；齒輪件全部浸入油中，即fg=1；齒輪件部分浸入油中，fg在0～1之間。根據線性插值來分析，若齒輪只有半數在油中，即fg=1/2。

參照標準要求能夠發現齒輪件攪油過程損耗的相關計算，本文依照采煤機截割傳動系統來統計[2]。

3.1 計算方法一

按照標準來分析齒輪件的性能，計算齒輪攪油損耗的方式有3種，外部光滑的零件、側面光滑的零件、外表面有齒的零件[3]。

外徑光滑的零件：

側面光滑的零件：

表面有齒的零件：g

粗糙度因數Rf：

式中：Pci為單齒輪件功率損失值，kW；D為齒輪件處在潤滑油里面的直徑大小，mm；Ag為齒輪列數，數值為1/5；b為齒寬度，mm；L為齒輪件在潤滑油里面的長度大小，mm；V0為潤滑油的黏性，cSt。

按照式（1）～（4）來計算減速器中每個部件的功率損失，再將功率損失加起來就是總功率損耗[4]。

3.2 計算方法二

按照標準里面出現的齒輪空載功率損失的相關核算公式，得出各個級別空載功率損耗值全部合起來就等于系統的總功率損耗值：

式中：THi為第i級齒輪的液體壓強損失轉矩值；ni為第i級齒輪的轉動速度；m為齒輪系統降低速度的系數。

計算單級齒輪總液體壓強損失轉矩值如下：

式中：Cap和C1、C2這3個系數的值都與齒輪齒寬以及浸油高度相關，如圖2所示。

式中：lh為中間變量大小，指的是齒輪減速設備露在空氣中的表面積和齒輪減速設備的箱體內壁周長之間約1/4的比；hao=10 mm，bo=10 mm，vto=10 m/s，為參照數值，AG為齒輪減速設備露在空氣中的體積，m2；UM為齒輪減速箱體的里壁周長，m。

圖2 齒輪箱減速器潤滑情況圖

3.3 歸納分析

利用相關軟件計算得出，首級小齒輪在油所處高度是80 mm左右時[5]，這兩種方式呈現的采煤機截割齒輪攪油損耗數值。如圖3所示。從圖可知，兩種不同方式得到的齒輪攪油損失變化形式基本一致。在電機旋轉速度逐漸增大的過程中，攪油損耗值也伴隨著呈拋物線形式增大：當旋轉速度偏小時，攪油損耗值增加趨勢小；當旋轉速度高于600 r/min時，攪油損耗值快速增大。根據兩種方法的趨勢圖，這兩種方式都能實現采煤機截割齒輪攪油損耗值得的要求。

圖3 兩種計算方法下齒輪攪油損失與轉速關系圖

4 截割搖臂傳動系統攪油損失的計算

當截割部齒輪的傳動系統開始運行時，搖臂擺角幅度的增大會引起每一級別齒輪浸在油里高度的變化，緊挨著電機的齒輪隨著高度增大而增大，距離較遠的電機的齒輪隨著高度增大而減小，如果潤滑油液的量過低也會導致脫油，進而開始沒有油的碰觸。平行級齒輪和行星傳動齒輪兩者的油池相互獨立，行星傳動的油池量在搖臂擺角發生變化的同時也相應的有了一定的幅度變化，所以，歸納總結平行級齒輪所處油中的高度以及搖臂擺角大小非常重要[6]。

搖臂擺角幅度的差異會干擾到齒輪件的浸油高度。若潤滑油液面高度不變，體積也不發生變化，在搖臂位置保持水平時，潤滑油液的高度如圖4所示，首級減速設備小齒輪所處的浸油高度便是初始浸油高度，即h的大小和潤滑油液的含量以及搖臂殼體構成相關。根據初始浸油高度的不同，按照潤滑油液面形成的狀態，可以將潤滑油的液面形態區分成4種，即圖中液面2～5所示。在分析歸納后發現，截割部傳動系統的齒輪件會根據浸油高度的不同以及和搖臂擺角幅度的不同，反應出在潤滑油中浸油高度的差異。在浸油高度大于435 mm時，都滿足搖臂擺角的合理范圍，整個齒輪件也都能完全浸在潤滑油內[7]。

圖4 不同搖臂擺角下的潤滑油液面

按照單級齒輪攪油損耗值的大小，舉例，當初始浸油高度是為50 mm和100 mm時，計算得到搖臂擺角幅度是 0°～50°，實際的差異變化如圖5所示，表示在兩種不同浸油高度的影響下，搖臂擺角幅度的不斷增加，導致攪油損耗值也增加。在搖臂擺角幅度滿足0°～30°時，攪油損耗值最大，在搖臂擺角幅度比30°大時，攪油損耗值就增加的少，甚至是不變。在初始浸油高度持續加大時，攪油損耗值也會隨之提高。所以，潤滑油的量應該按照要求來提供，不能過多，也不能過少，不然攪油功率的損耗就太大了[8]。

5 結束語

截割部齒輪的傳動體系離不開搖臂體和行星傳動油池遵照相關標準核算出的這兩個齒輪攪油損耗值之間的差異較小，都滿足該系統的攪油損耗的要求。

圖5 不同浸油深度下攪油損失與搖臂擺角的關系