采煤機搖臂減速箱冷卻系統(tǒng)與裝置的改進

胡雪峰

（陽泉華越創(chuàng)力采掘機械制造有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤工藝、支護手段以及綜采設(shè)備自動化水平的不斷提升，工作面的采煤效率得到顯著提升。采煤機作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其截割能力直接決定工作面生產(chǎn)能力。隨著采煤機裝機功率越來越大，其搖臂傳遞功率也隨之增加，對應(yīng)在實際生產(chǎn)過程中的發(fā)熱量也越來越大。鑒于綜采工作面的空間有限且水量等因素的局限性，不僅導(dǎo)致采煤機搖臂減速器散熱能力有限，而且降低了采煤機整機系統(tǒng)的可靠性，以及生產(chǎn)效率[1]。因此，著重對采煤機搖臂減速箱冷卻系統(tǒng)及裝置進行研究改進。

1 采煤機搖臂減速器概述

采煤機搖臂減速器為整機系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其作為與煤層直接接觸的部件之一，主要包括截割電機、離合器、減速器、行星齒輪輪系等[2]。本文著重對采煤機搖臂截割系統(tǒng)中的減速箱結(jié)構(gòu)進行研究，其主要包括有殼體、軸組、行星減速器、噴霧降塵裝置等組成。如圖1 所示。

圖1 采煤機搖臂減速器結(jié)構(gòu)示意圖

采煤機搖臂殼體為整體鑄鋼結(jié)構(gòu)；軸件包括有Ⅰ軸組件、Ⅱ軸組件、Ⅲ軸組件、Ⅳ軸組件、Ⅴ軸組件、Ⅵ軸組件、Ⅶ軸組件，其中Ⅰ軸組件與截割電機扭矩軸相聯(lián)，Ⅱ軸組件、Ⅳ軸組件、Ⅴ軸組件、Ⅵ軸組件為惰輪組，Ⅲ軸組件、Ⅶ軸組件主要為增強傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性；噴霧降塵系統(tǒng)主要承擔(dān)對截割點粉塵、煤塵濃度的控制任務(wù)；行星減速器提高采煤機搖臂系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)性[3]。

采煤機搖臂減速箱除了常規(guī)結(jié)構(gòu)部件外，還包括有冷卻、潤滑系統(tǒng)。鑒于采煤機屬于大型機電設(shè)備，且在實際工作時時刻處于一個相對較小幅度的振動狀態(tài)中，因此對其冷卻和潤滑的要求更高，主要表現(xiàn)為：其冷卻系統(tǒng)的水量不能太大，水量太大容易導(dǎo)致煤質(zhì)較差，從而影響企業(yè)利潤；對于潤滑系統(tǒng)而言，鑒于工作面空間有限對應(yīng)采煤機搖臂的空間也受到限制，從而使其內(nèi)部有效潤滑的空間較小。本文著重對采煤機搖臂的冷卻系統(tǒng)進行研究，當(dāng)前冷卻系統(tǒng)主要為水冷方式，且包括兩路冷卻，其中一路為高壓水冷卻，為搖臂減速箱的主要冷卻方式；另一路為低壓水冷卻，為搖臂減速箱的輔助冷卻方式。

2 采煤機搖臂減速箱的熱平衡分析

采煤機在實際工作中，由于其傳動系統(tǒng)內(nèi)部輪齒、軸承等摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，從而造成功率損失。如果對實際生產(chǎn)中齒輪與齒輪、軸承等部件摩擦所產(chǎn)生的熱量不及時散出的話，會導(dǎo)致系統(tǒng)的潤滑效率降低，從而加劇齒輪、軸承等部件的磨損，加劇其失效。

2.1 采煤機搖臂減速箱熱源分析

采煤機搖臂在實際工作中的主要熱源可以定性為傳動功率的損失，并以熱量的形式被排出，主要變現(xiàn)為齒輪與齒輪的嚙合，齒輪與軸承之間的嚙合，油封功率的損失以及齒輪攪拌油液產(chǎn)生的熱量。

1）對于齒輪與齒輪嚙合所產(chǎn)生的熱量其與傳動效率和輸入功率相關(guān)；

2）軸承作為支撐負荷的機械零件，其主要表現(xiàn)為點與線的摩擦所產(chǎn)生的熱量，所生產(chǎn)熱量主要與軸承參數(shù)及傳遞功率相關(guān)；

3）對于油封功率損失所產(chǎn)生的熱量主要與齒輪軸的靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)、油箱的溫度以及油液的參數(shù)相關(guān)；

4）對于輪齒攪拌油液所產(chǎn)生的熱量主要與其所采用的潤滑方式相關(guān)，主要熱源與搖臂工況的不同而不同[4]。

經(jīng)計算，得出上述四種途徑所產(chǎn)生熱量的具體數(shù)值如表1 所示：

表1 采煤機搖臂減速箱熱源定量分析 kJ/h

如表1 所示，采煤機搖臂減速箱的主要發(fā)熱來源為齒輪與齒輪的嚙合，齒輪與軸承之間的嚙合，以及齒輪攪拌油液產(chǎn)生的熱量。因此，需注重對上述三種發(fā)熱方式下的熱量進行散熱處理。

2.2 采煤機搖臂散熱分析

目前，采煤機搖臂減速器在工作中所產(chǎn)生的熱量可通過搖臂殼體與工作面空氣的熱交換；搖臂的水冷卻熱傳導(dǎo)、潤滑油液的散熱以及各個連接零部件之前的熱傳動進行散熱。

搖臂表面殼體散熱主要分為對流散熱和傳導(dǎo)散熱；搖臂接觸部分表面散熱主要為熱量通過搖臂與采煤機其他部件的連接件通過熱傳導(dǎo)到進行散熱；搖臂水冷卻散熱主要通過一定壓力的水實現(xiàn)冷卻。經(jīng)對采煤機搖臂減速箱各種散熱方式下的散熱量進行定量分析。

綜上所述，采煤機搖臂在工作中主要熱源為齒輪、軸承以及輪齒攪拌的油液所產(chǎn)生的熱量，而且當(dāng)搖臂向上轉(zhuǎn)動角度越大時所產(chǎn)生的熱量越大。對于散熱而言，單純依靠搖臂殼體表面以及與其他部件熱傳導(dǎo)散熱無法滿足設(shè)備整體的散熱要求，必須采取外部強制散熱方式。為提升當(dāng)前采煤機搖臂系統(tǒng)的散熱效果急需對其冷卻系統(tǒng)及裝置進行優(yōu)化設(shè)計。

3 冷卻系統(tǒng)及裝置的優(yōu)化

采煤機搖臂傳統(tǒng)散熱方式為殼體水套冷卻，但是隨著裝機功率的不斷增加，傳統(tǒng)殼體水套冷卻方式已經(jīng)無法滿足散熱要求。因此，需對采煤機搖臂系統(tǒng)配置熱平衡系統(tǒng)，并對其冷卻系統(tǒng)及涉及的裝置進行優(yōu)化[5]。具體闡述如下：

3.1 殼體水套冷卻的優(yōu)化

1）傳統(tǒng)殼體水套冷卻有兩路冷卻水組成，分別為高壓水和低壓水，其中高壓水為內(nèi)噴霧系統(tǒng)噴射出一定壓力的冷卻水；低壓水由已經(jīng)冷卻過牽引系統(tǒng)的冷卻水。

2）高壓水的冷卻路徑為水閥—搖臂殼體冷卻水道—內(nèi)噴霧供水裝置—滾筒葉片水道—噴嘴。

3）低壓水的冷卻途徑為已冷卻過牽引電機的水—搖臂截割電機—搖臂殼體冷卻水道—大噴嘴。

為提高殼體水道的冷卻效果，對上述兩路冷卻水的路徑進行優(yōu)化，具體如下：

1）高壓水：水閥—搖臂齒輪箱的全螺紋冷卻水管組—冷卻齒輪箱潤滑油冷卻—行星頭殼體冷卻水道—搖臂殼體冷卻水道—內(nèi)噴霧供水裝置—滾筒葉片水道—噴嘴。

2）低壓水：已冷卻過牽引電機的水—搖臂截割電機—搖臂殼體冷卻水道（蛇形分布于搖臂殼體表面）—大噴嘴。

3.2 減速箱強制潤滑冷卻

鑒于當(dāng)搖臂處于大傾角工況時所產(chǎn)生的熱量最大，主要由于在大傾角工況下?lián)u臂傳動系統(tǒng)的齒輪得不到有效的潤滑，從而加劇摩擦產(chǎn)生的熱量急劇增大。因此，需在大傾角工況下為其配置低速強迫潤滑冷卻裝置，使其在大傾角工況下也可對齒輪進行有效潤滑，減小摩擦，降低發(fā)熱量。低速強迫潤滑冷卻裝置安裝效果如圖2 所示：

圖2 低速強迫冷卻潤滑裝置

4 結(jié)語

采煤機搖臂系統(tǒng)為其核心分系統(tǒng)，其主要承擔(dān)對煤層的截割任務(wù)，對截割高度、深度進行控制。隨著采煤機裝機功率的不斷增加，傳統(tǒng)搖臂殼體水套冷卻方式的散熱效果已經(jīng)無法滿足搖臂傳動系統(tǒng)的散熱需求，為此對搖臂殼體水套冷卻的高壓、低壓水冷卻路徑進行優(yōu)化（在高壓水冷卻路徑中增加對潤滑油箱的冷卻，在低壓水冷區(qū)中設(shè)置蛇形水道增加冷卻面積）；對大傾角工況下潤滑不佳導(dǎo)致發(fā)熱量增加的問題為其配置低速強迫冷卻潤滑裝置。