近 20 a 來(lái)國(guó)內(nèi)煤礦井下工作面用刮板輸送機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，設(shè)備運(yùn)輸能力得到很大的提高，從 2000 年的輸送能力 500 萬(wàn) t/a 提高到現(xiàn)在的 2 000 萬(wàn) t/a， 刮板輸送機(jī)單機(jī)功率從 525 kW 增大到 3 000 kW，由減速器功率的增大、安裝空間的限制、減速器參數(shù)要求以及可靠性的要求等造成其設(shè)計(jì)難度增大，需要解決減速器高速軸軸承承載能力和轉(zhuǎn)速不足、低速級(jí)行星傳動(dòng)部件強(qiáng)度不足、井下封閉空間緊湊型減速器散熱困難等技術(shù)難題。
隨著近年來(lái)礦山智能化開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，刮板輸送機(jī)智能控制技術(shù)得到快速發(fā)展，減速器做為刮板輸送機(jī)的核心傳動(dòng)部件，運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化和故障預(yù)判以及故障分析等技術(shù)水平直接影響了刮板輸送機(jī)的智能化。
一、刮板輸送機(jī)用大功率行星齒輪減速器工況條件分析
目前刮板輸送機(jī)配套的減速器功率已達(dá)到 3 000 kW，而刮板輸送機(jī)槽寬只有 1 400 mm，與配套 1 600 kW 減速器的刮板輸送機(jī)槽寬一樣，配置鏈條只從原來(lái)的 φ52 mm 增加到 φ60 mm。為保證機(jī)頭、機(jī)尾處采煤機(jī)截煤的臥底量，機(jī)頭、機(jī)尾中心高增高不足 100 mm，3 000 kW 減速器的高度相對(duì) 1 600 kW 增加只有 100 mm 左右，減速器安裝空間非常小，要求結(jié)構(gòu)非常緊湊，散熱困難，主要通過(guò)內(nèi)置冷卻水循環(huán)冷卻。刮板輸送機(jī)在工作過(guò)程中裝煤位置隨著與其配套的采煤機(jī)位置變化而變化，無(wú)論從機(jī)尾到機(jī)頭哪個(gè)位置裝煤都需運(yùn)至機(jī)頭卸煤，因此刮板輸送機(jī)上裝煤量在實(shí)時(shí)變化，減速器傳遞的扭矩也在實(shí)時(shí)變化;同時(shí)刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)刮板鏈刮卡和壓溜等現(xiàn)象，導(dǎo)致減速器傳遞的扭矩變化較大，減速器的工作溫度、軸承振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)都在實(shí)時(shí)變化。
刮板輸送機(jī)在井下工作面的工作環(huán)境決定了大功率減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析的難度非常大。刮板輸送機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)件如圖 1 所示。
二、刮板輸送機(jī)用大功率行星齒輪減速器設(shè)計(jì)主要難題
(1)3 000 kW 行星齒輪減速器高速級(jí)參數(shù)確定和軸承選型
重型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)形式、運(yùn)行速度、刮板鏈規(guī)格以及與井下工作面液壓支架配套等決定了其配套的減速器以三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器為主。按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減速器第 1 級(jí)傳動(dòng)比 i=2.3～3.5，輸入軸支撐采用雙列圓錐滾子軸承和調(diào)心軸承的結(jié)構(gòu)，雙列調(diào)心軸承安裝在錐齒輪端承受錐齒輪副傳遞扭矩產(chǎn)生的主要徑向力，雙列圓錐滾子軸承在輸入軸輸入端，同時(shí)承受錐齒輪副傳遞扭矩產(chǎn)生的軸向反力和徑向反力。另一種是采用 2 個(gè)圓柱軸承和 1 個(gè)球軸承的支撐形式，2 個(gè)圓柱軸承受錐齒輪副傳遞扭矩產(chǎn)生的徑向力，球軸承承受錐齒輪副傳遞扭矩產(chǎn)生的軸向反力，如圖 2 所示。
減速器輸入軸額定工作轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，功率達(dá)到 2 000 kW 時(shí)，輸入軸無(wú)論采用哪種軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸承內(nèi)徑都已達(dá)到 φ200 mm 以上，軸承工作轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近極限轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì) 3 000 kW 減速器時(shí)，按已有的設(shè)計(jì)方法，軸承選更大規(guī)格，承載能力可以滿足而轉(zhuǎn)速達(dá)不到，軸承規(guī)格不增大，轉(zhuǎn)速滿足要求而承載能力不足，因此已有的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不再適用。
設(shè)計(jì) 3 000 kW 行星齒輪減速器確定各級(jí)參數(shù)時(shí)，首先應(yīng)解決輸入軸軸承承載能力和轉(zhuǎn)速之間的矛盾。
(2)3 000 kW 行星齒輪減速器低速級(jí)主參數(shù)確定
煤礦井下工作面空間的限制決定了采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)之間的配套尺寸，刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾中心高決定了減速器的高度尺寸，刮板輸送機(jī)配套的 3 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度不大于 1 400 mm，而對(duì)應(yīng)的 2 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度達(dá)到 1 300 mm。低速級(jí)行星傳動(dòng)部件中內(nèi)齒輪外圓決定減速器的高度。行星傳動(dòng)組件不僅要考慮齒輪的接觸和彎曲強(qiáng)度達(dá)到使用要求，同時(shí)根據(jù)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還要滿足以下幾方面的要求：①行星輪內(nèi)裝軸承的承載能力滿足使用要求;②太陽(yáng)輪齒數(shù)和內(nèi)齒輪齒數(shù)之和是行星輪齒數(shù)的整數(shù)倍;③太陽(yáng)輪齒數(shù)不小于 15;④太陽(yáng)輪的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不大于 70 MPa;⑤減速器的輸入轉(zhuǎn)速與配對(duì)使用的兩級(jí)行星齒輪減速器的輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差小于3 r/min，因此減速器低速級(jí)行星傳動(dòng)主參數(shù)的確定是減速器設(shè)計(jì)的核心難題。
(3)3 000 kW 行星齒輪減速器運(yùn)行狀態(tài)分析關(guān)鍵技術(shù)
3 000 kW 減速器配套的刮板輸送機(jī)能力達(dá)到 1 500 萬(wàn) t/a 以上，應(yīng)用在千萬(wàn)噸級(jí)以上智能化開(kāi)采的大型高產(chǎn)高效礦井，對(duì)減速器的可靠性要求非常高，減速器要基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，減速器的健康管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)減速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，其關(guān)鍵功能是根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化情況對(duì)減速器可能出現(xiàn)的故障提前進(jìn)行預(yù)判和數(shù)據(jù)上傳，通過(guò)及時(shí)控制、調(diào)整刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)減速器進(jìn)行保護(hù)，避免故障發(fā)生。因此提取減速器哪些運(yùn)行數(shù)據(jù)、如何準(zhǔn)確預(yù)判故障是減速器健康管理系統(tǒng)的核心技術(shù)。
三、刮板輸送機(jī)用大功率行星齒輪減速器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
通過(guò)分析 3 000 kW 行星齒輪減速器設(shè)計(jì)主要難題，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是各級(jí)傳動(dòng)比的分配、低速級(jí)設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀態(tài)分析。
(1)3 000 kW 行星齒輪減速器傳動(dòng)比分配
刮板輸送機(jī)特殊的驅(qū)動(dòng)部驅(qū)動(dòng)形式?jīng)Q定了其三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器各級(jí)速比分配必須要考慮與其配對(duì)使用的兩級(jí)行星齒輪減速器速比，輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差小于 1 r/min，2 種減速器低速結(jié)構(gòu)完全相同，也就是三級(jí)傳動(dòng)減速器的前 2 級(jí)速比與兩級(jí)傳動(dòng)減速器的高速級(jí)速比相同。
減速器輸入軸軸承軸向和徑向支撐力盡可能地小，輸入軸軸承支撐力除了與其軸承布置結(jié)構(gòu)有關(guān)外，根據(jù)錐齒輪副受力計(jì)算公式可知還與錐齒輪中點(diǎn)螺旋角和錐角相關(guān)。
刮板輸送機(jī)用 1 600 kW 以上減速器輸入軸采用 2 個(gè)圓柱軸承承受徑向力和 1 個(gè)四點(diǎn)接觸球軸承承受軸向力，結(jié)構(gòu)布置對(duì)支撐力的影響較小。根據(jù)錐齒輪副受力計(jì)算公式，錐齒輪中點(diǎn)螺旋角和錐角對(duì)輸入軸軸承支撐力影響非常大，從計(jì)算公式可以看出，錐角越小，輸入軸軸向力越小，但徑向力有一定的增加，因此要根據(jù)輸入軸軸徑和軸承轉(zhuǎn)速以及各軸承承載能力計(jì)算出錐齒輪副的速比范圍。
根據(jù)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾配套要求確定 3 000 kW減速器低速級(jí)內(nèi)齒輪外徑，初步估算動(dòng)力部重量和輸出扭矩等確定內(nèi)齒輪壁厚，從而確定內(nèi)齒輪分度圓直徑范圍，進(jìn)一步確定行星傳動(dòng)齒輪副傳動(dòng)比和行星輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等。
只有確定了三級(jí)減速器的錐齒輪副和低速級(jí)行星齒輪副速比后才能進(jìn)一步確定三級(jí)傳動(dòng)減速器的第 2 級(jí)速比與兩級(jí)行星傳動(dòng)減速器的高速級(jí)速比。這個(gè)計(jì)算過(guò)程需反復(fù)進(jìn)行才能最終確定減速器的各級(jí)速比和齒輪參數(shù)。
(2)3 000 kW 行星齒輪減速器運(yùn)行狀態(tài)分析
減速器運(yùn)行狀態(tài)分析主要基礎(chǔ)是減速器可能發(fā)生的各種故障，減速器故障從已使用減速器外部信息反饋中分析總結(jié)，進(jìn)一步分析減速器各種故障與減速器各運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)性，確定減速器運(yùn)行參數(shù) 采集點(diǎn)和采集方法，建立各系列減速器運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，并通過(guò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得各系列減速器數(shù)據(jù)正常運(yùn)行的區(qū)間。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集還要考慮刮板輸送機(jī)智能控制所需要的數(shù)據(jù)，為配套刮板輸送機(jī)智能控制提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值和大數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充的模式進(jìn)行分析這一思路開(kāi)展減速器運(yùn)行狀態(tài)分析系統(tǒng)的研究。
3 000 kW 行星齒輪減速器三維圖如圖 3 所示。
四、結(jié)語(yǔ)
分析了煤礦井下工作面刮板輸送機(jī)用大功率行星齒輪減速器工作空間小、散熱差的特殊工況環(huán)境和配套條件，從高速級(jí)參數(shù)確定和軸承選型、低速級(jí)主參數(shù)確定、運(yùn)行狀態(tài)分析關(guān)鍵技術(shù)三方面分析研究刮板輸送機(jī)用 3 000 kW 行星齒輪減速器設(shè)計(jì)的主要技術(shù)難題，針對(duì)其主要設(shè)計(jì)技術(shù)難題總結(jié)了設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，為其設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
參考文獻(xiàn)略.