礦用傾角減速器動(dòng)態(tài)油池箱體研究

武文穎，蔡樹梅，陳 賀，李保全

（1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口 076250；2.山東能源重裝集團(tuán)有限責(zé)任公司新汶分公司，山東 泰安 271000）

0 引言

煤炭資源是我國(guó)主要消費(fèi)能源[1]。順槽破碎機(jī)在綜采作業(yè)中承擔(dān)的任務(wù)是將采掘并運(yùn)輸?shù)巾槻坜D(zhuǎn)載機(jī)上的煤通過高速錘擊，破碎到滿足使用需求的程度。對(duì)于煤礦井下超大采高[2]綜采放頂煤工作面[3]來(lái)說(shuō)，前部輸送機(jī)的煤塊是由采煤機(jī)截齒直接截割，煤塊較小。而后部輸送機(jī)的煤則是由液壓支架掩護(hù)梁放落，煤塊大小不等，大塊度的煤很多，增加了順槽破碎機(jī)的破碎難度。為了實(shí)現(xiàn)多次有效破碎，更多大型礦井要求由后部輸送機(jī)運(yùn)送到轉(zhuǎn)載機(jī)的煤塊也要先進(jìn)行一輪預(yù)破碎，需在前、后部輸送機(jī)間轉(zhuǎn)載機(jī)落地段位置增設(shè)預(yù)破碎設(shè)備，如圖1 所示。

圖1 預(yù)破碎設(shè)備位置

1 傾角減速器結(jié)構(gòu)與布置

由于煤礦井下順槽空間受限和超前支架的干涉，預(yù)破碎設(shè)備（簡(jiǎn)稱破碎機(jī)）所使用的破碎機(jī)減速器和傳動(dòng)裝置無(wú)法正常水平布置，減速器需要傾斜安裝于破碎機(jī)上，與水平面傾角為15°，破碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 破碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)

破碎機(jī)減速器和傳動(dòng)裝置的布置方式如圖3 所示，液力耦合器和電機(jī)布置于破碎機(jī)上方，傳動(dòng)軸與破碎機(jī)錘軸平行。這種傳動(dòng)部布置方式最大限度的利用了順槽空間，避免與超前支架干涉，并可滿足破碎機(jī)的正常運(yùn)行。

圖3 減速器與傳動(dòng)裝置布置方式

由于這樣的布置方式，這樣的傾角減速器并需設(shè)計(jì)一級(jí)惰輪來(lái)拉長(zhǎng)減速器長(zhǎng)度，減速器機(jī)身較長(zhǎng)、傾斜安裝使大量潤(rùn)滑油堆積于減速器箱體底部，輸出端的齒輪大部分浸沒于潤(rùn)滑油中。同時(shí)破碎機(jī)用減速器需求的速比很小，輸出轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)減速器輸出轉(zhuǎn)速。過快的轉(zhuǎn)速使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)攪動(dòng)潤(rùn)滑油消耗了大量能量，造成了過度發(fā)熱，箱體溫度過高，升溫過快，冷卻器無(wú)法及時(shí)帶走熱量。因此傾斜安裝的破碎機(jī)減速器需要在冷卻裝置和箱體內(nèi)部均進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)使之滿足破碎機(jī)減速器的正常使用需求。

造成普通箱體結(jié)構(gòu)減速器油溫過高無(wú)法使用于這種工況的原因如下：①減速器傾斜安裝，傾角較大。②減速器機(jī)身較長(zhǎng)，箱體空間較大，內(nèi)部灌裝潤(rùn)滑油較多。③減速器傳動(dòng)比較大，輸出軸轉(zhuǎn)速過快。④輸出軸大齒輪大部分浸沒于潤(rùn)滑油中，轉(zhuǎn)動(dòng)攪油發(fā)熱。⑤冷卻不足。

因此，需要對(duì)箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改善潤(rùn)滑油全部堆積于箱體底部的不良潤(rùn)滑狀況，使箱體內(nèi)的潤(rùn)滑油分布開，同時(shí)提升改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，保證傾角減速器可正常使用于這類工況。

2 傾角減速器結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)油池箱體

破碎機(jī)傾角減速器主要包括輸入軸、第二軸、第三軸、輸出軸、動(dòng)態(tài)油池上箱體、動(dòng)態(tài)油池下箱體、潤(rùn)滑裝置以及冷卻裝置和軸承蓋等其他零部件，如圖4 所示。

圖4 傾角減速器結(jié)構(gòu)

破碎機(jī)傾角減速器的輸入軸與輸出軸平行，輸入軸通過液力耦合器與電機(jī)聯(lián)接，輸出軸與破碎機(jī)錘軸總成聯(lián)接。第二軸是惰輪軸，目的是拉長(zhǎng)減速器傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度以滿足設(shè)備安裝要求。潤(rùn)滑裝置為強(qiáng)制潤(rùn)滑，通過潤(rùn)滑泵從箱底吸油給輸入軸兩端的軸承噴油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油再通過箱體上的溝槽流入第二軸，為第二軸兩端的軸承提供潤(rùn)滑。第三軸和輸出軸的大齒輪通過飛濺和甩油潤(rùn)滑。

冷卻裝置由兩組增設(shè)為4 組，分別設(shè)置于第二軸、第三軸上下方和輸出軸上下方。減速器傳動(dòng)比約為5，各軸轉(zhuǎn)速如表1 所示。由表1 可見，輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)到297.73r/min，轉(zhuǎn)速較高[4]。輸出軸的大齒輪外形較大，轉(zhuǎn)動(dòng)攪油需要消耗過多的能量。造成整臺(tái)減速器油溫過高無(wú)法正常使用。

表1 傾角減速器各軸轉(zhuǎn)速

對(duì)于動(dòng)態(tài)油池的上箱體，在第二軸和第三軸的正上方設(shè)有油池壁，油池壁與上箱體一起鑄造成型，鑄造采用球墨鑄鐵[5]精鑄。同樣的，對(duì)于動(dòng)態(tài)油池的下箱體，在第二軸和第三軸的正下方設(shè)有油池壁，油池壁形式與上箱體完全一致，與下箱體一起鑄造成型，如圖5 所示，油池壁壁厚可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)減速器的箱體壁厚調(diào)整，本文中所使用的油池壁厚為20mm。

圖5 動(dòng)態(tài)油池下箱體

以第二軸下方油池壁為例，油池壁邊沿低于箱體軸承座外圈5mm，與第二軸形成可供潤(rùn)滑油流過的空間S，該空間使箱體形成溝通的油池，油池壁上加工有供第二軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過的槽，槽周邊與齒輪的間隙G為2mm，如圖6 所示。供齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過的槽需要在機(jī)床精密加工成型，保證齒輪順利通過，同時(shí)需要嚴(yán)格控制間隙。間隙過大會(huì)使?jié)櫥痛罅苛鞒鲇绊憚?dòng)態(tài)油池箱體的實(shí)際使用效果。

圖6 油池壁過油空間與間隙

第三軸下方的油池壁與第二軸道理相同，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮齒輪通過的位置。

該間隙G 可供齒輪通過并阻擋潤(rùn)滑油流出。油池壁將減速器箱體分割為3 個(gè)溝通的油池，運(yùn)行后通過中間兩軸上齒輪甩油使部分油收集于單個(gè)油池內(nèi)，油池壁周邊與齒輪之間的間隙G 阻擋潤(rùn)滑油流出，甩入的油大于從過油空間S 流出的油，因此每一個(gè)油池的油位是動(dòng)態(tài)變化的，一般將這種油位可動(dòng)態(tài)階梯變化的箱體稱為動(dòng)態(tài)油池箱體。相比于無(wú)動(dòng)態(tài)油池箱體的普通傾角減速器，可有效降低最底部油池的油位，降低浸沒于輸出軸大齒輪的油位高度，避免過量的攪油發(fā)熱，有效降低減速器溫度。

3 有無(wú)動(dòng)態(tài)油池箱體的運(yùn)行對(duì)比

無(wú)油池壁的傾角減速器在停機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油位均大致處于一個(gè)平面，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于齒輪甩油，油位會(huì)略低于靜止時(shí)的油位。此時(shí)輸出軸齒輪大部分浸沒在油中，如圖7 所示，齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)造成嚴(yán)重的攪油發(fā)熱，減速器溫度過高無(wú)法正常運(yùn)行。在圖8 中，設(shè)有動(dòng)態(tài)油池箱體的傾角減速器停機(jī)時(shí)由于油池壁之間存在過油空間，三個(gè)溝通的油池內(nèi)油位同樣大致處于一個(gè)平面，運(yùn)行后通過中間兩軸上齒輪甩油使部分油收集于單個(gè)油池內(nèi)，槽與齒輪之間的間隙可保證齒輪的通過并阻擋潤(rùn)滑油流出。甩入的油大于從過油間隙流出的油，使箱體內(nèi)油位呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)階梯變化，形成動(dòng)態(tài)油池。同時(shí)，潤(rùn)滑裝置通過安裝于第三軸上的潤(rùn)滑泵吸油，為輸入軸兩軸承提供強(qiáng)制潤(rùn)滑，并不斷的向具有動(dòng)態(tài)油池的上箱體和下箱體最上部的油池內(nèi)補(bǔ)充潤(rùn)滑油，圖7、圖8 中L 為油位。

圖7 無(wú)動(dòng)態(tài)油池減速器運(yùn)行油位

圖8 具有動(dòng)態(tài)油池減速器運(yùn)行油位

當(dāng)然，減速器運(yùn)行后箱體內(nèi)潤(rùn)滑油存在比較大的攪動(dòng)和飛濺，油位并不是穩(wěn)定的，但大致呈現(xiàn)圖8 中所示的階梯變化狀態(tài)。

目前，經(jīng)改進(jìn)的具有動(dòng)態(tài)油池箱體傾角減速器已應(yīng)用在陜西未來(lái)能源化工有限公司金雞灘煤礦預(yù)破碎設(shè)備上，功率為855kW，使用情況良好。從2019 年下井投入使用至今沒有出現(xiàn)油溫過高的故障情況。設(shè)備臺(tái)架試驗(yàn)情況如圖9 所示。該設(shè)備目前已取得實(shí)用新型專利，專利證書如圖10 所示。

圖9 減速器試驗(yàn)

圖10 專利證書

4 結(jié)語(yǔ)

該傾角減速器機(jī)傾斜安裝于工作機(jī)上，通過鑄造于箱體上的油池壁將箱體分割為3 個(gè)溝通的油池。運(yùn)行后通過中間兩軸上齒輪甩油使部分油收集于單個(gè)油池內(nèi)，油池壁周邊與齒輪之間較小的間隙可保證齒輪的通過并阻擋潤(rùn)滑油流出，使箱體內(nèi)油位呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)階梯變化，形成動(dòng)態(tài)油池。該動(dòng)態(tài)油池減速器可使最底部油池的油位降低，避免過量的攪油發(fā)熱，解決了傾角減速器由于攪油發(fā)熱引發(fā)的高溫故障，可廣泛應(yīng)用于各技術(shù)領(lǐng)域需傾斜安裝的減速器上，具有重要的參考和實(shí)用價(jià)值。