近 20 a 來國內(nèi)煤礦井下工作面用刮板輸送機技術(shù)快速發(fā)展，設(shè)備運輸能力得到很大的提高，從 2000 年的輸送能力 500 萬 t/a 提高到現(xiàn)在的 2 000 萬 t/a， 刮板輸送機單機功率從 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、低速級行星傳動部件強度不足、井下封閉空間緊湊型減速器散熱困難等技術(shù)難題。
隨著近年來礦山智能化開采技術(shù)的不斷發(fā)展，刮板輸送機智能控制技術(shù)得到快速發(fā)展，減速器做為刮板輸送機的核心傳動部件，運行狀態(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的智能化。
一、刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器工況條件分析
目前刮板輸送機配套的減速器功率已達到 3 000 kW，而刮板輸送機槽寬只有 1 400 mm，與配套 1 600 kW 減速器的刮板輸送機槽寬一樣，配置鏈條只從原來的 φ52 mm 增加到 φ60 mm。為保證機頭、機尾處采煤機截煤的臥底量，機頭、機尾中心高增高不足 100 mm，3 000 kW 減速器的高度相對 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，主要通過內(nèi)置冷卻水循環(huán)冷卻。刮板輸送機在工作過程中裝煤位置隨著與其配套的采煤機位置變化而變化，無論從機尾到機頭哪個位置裝煤都需運至機頭卸煤，因此刮板輸送機上裝煤量在實時變化，減速器傳遞的扭矩也在實時變化;同時刮板輸送機在運行過程中經(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、軸承振動等運行參數(shù)都在實時變化。
刮板輸送機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、運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及分析的難度非常大。刮板輸送機機頭結(jié)構(gòu)件如圖 1 所示。
二、刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器設(shè)計主要難題
(1)3 000 kW 行星齒輪減速器高速級參數(shù)確定和軸承選型
重型刮板輸送機驅(qū)動形式、運行速度、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圓錐圓柱行星齒輪減速器為主。按傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，減速器第 1 級傳動比 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 個圓柱軸承和 1 個球軸承的支撐形式，2 個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，功率達到 2 000 kW 時，輸入軸無論采用哪種軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸承內(nèi)徑都已達到 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 3 000 kW 減速器時，按已有的設(shè)計方法，軸承選更大規(guī)格，承載能力可以滿足而轉(zhuǎn)速達不到，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)計方法已經(jīng)不再適用。
設(shè)計 3 000 kW 行星齒輪減速器確定各級參數(shù)時，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主參數(shù)確定
煤礦井下工作面空間的限制決定了采煤機、液壓支架和刮板輸送機之間的配套尺寸，刮板輸送機機頭、機尾中心高決定了減速器的高度尺寸，刮板輸送機配套的 3 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度不大于 1 400 mm，而對應(yīng)的 2 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度達到 1 300 mm。低速級行星傳動部件中內(nèi)齒輪外圓決定減速器的高度。行星傳動組件不僅要考慮齒輪的接觸和彎曲強度達到使用要求，同時根據(jù)已有的設(shè)計經(jīng)驗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太陽輪齒數(shù)不小于 15;④太陽輪的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不大于 70 MPa;⑤減速器的輸入轉(zhuǎn)速與配對使用的兩級行星齒輪減速器的輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差小于3 r/min，因此減速器低速級行星傳動主參數(shù)的確定是減速器設(shè)計的核心難題。
(3)3 000 kW 行星齒輪減速器運行狀態(tài)分析關(guān)鍵技術(shù)
3 000 kW 減速器配套的刮板輸送機能力達到 1 500 萬 t/a 以上，應(yīng)用在千萬噸級以上智能化開采的大型高產(chǎn)高效礦井，對減速器的可靠性要求非常高，減速器要基本實現(xiàn)數(shù)字化，減速器的健康管理系統(tǒng)實時對減速器的運行狀態(tài)進行預(yù)判，其關(guān)鍵功能是根據(jù)運行參數(shù)的變化情況對減速器可能出現(xiàn)的故障提前進行預(yù)判和數(shù)據(jù)上傳，通過及時控制、調(diào)整刮板輸送機運行狀態(tài)對減速器進行保護，避免故障發(fā)生。因此提取減速器哪些運行數(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、刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
通過分析 3 000 kW 行星齒輪減速器設(shè)計主要難題，其設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是各級傳動比的分配、低速級設(shè)計和運行狀態(tài)分析。
(1)3 000 kW 行星齒輪減速器傳動比分配
刮板輸送機特殊的驅(qū)動部驅(qū)動形式?jīng)Q定了其三級圓錐圓柱行星齒輪減速器各級速比分配必須要考慮與其配對使用的兩級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，也就是三級傳動減速器的前 2 級速比與兩級傳動減速器的高速級速比相同。
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)錐齒輪副受力計算公式可知還與錐齒輪中點螺旋角和錐角相關(guān)。
刮板輸送機用 1 600 kW 以上減速器輸入軸采用 2 個圓柱軸承承受徑向力和 1 個四點接觸球軸承承受軸向力，結(jié)構(gòu)布置對支撐力的影響較小。根據(jù)錐齒輪副受力計算公式，錐齒輪中點螺旋角和錐角對輸入軸軸承支撐力影響非常大，從計算公式可以看出，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算出錐齒輪副的速比范圍。
根據(jù)刮板輸送機機頭、機尾配套要求確定 3 000 kW減速器低速級內(nèi)齒輪外徑，初步估算動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，進一步確定行星傳動齒輪副傳動比和行星輪的傳動結(jié)構(gòu)等。
只有確定了三級減速器的錐齒輪副和低速級行星齒輪副速比后才能進一步確定三級傳動減速器的第 2 級速比與兩級行星傳動減速器的高速級速比。這個計算過程需反復(fù)進行才能最終確定減速器的各級速比和齒輪參數(shù)。
(2)3 000 kW 行星齒輪減速器運行狀態(tài)分析
減速器運行狀態(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)，進一步分析減速器各種故障與減速器各運行參數(shù)的相關(guān)性，確定減速器運行參數(shù) 采集點和采集方法，建立各系列減速器運行數(shù)據(jù)曲線，并通過大數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，獲得各系列減速器數(shù)據(jù)正常運行的區(qū)間。數(shù)據(jù)采集點采集還要考慮刮板輸送機智能控制所需要的數(shù)據(jù)，為配套刮板輸送機智能控制提供數(shù)據(jù)支撐。同時通過經(jīng)驗值和大數(shù)據(jù)互為補充的模式進行分析這一思路開展減速器運行狀態(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
分析了煤礦井下工作面刮板輸送機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，從高速級參數(shù)確定和軸承選型、低速級主參數(shù)確定、運行狀態(tài)分析關(guān)鍵技術(shù)三方面分析研究刮板輸送機用 3 000 kW 行星齒輪減速器設(shè)計的主要技術(shù)難題，針對其主要設(shè)計技術(shù)難題總結(jié)了設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，為其設(shè)計提供了依據(jù)。
參考文獻略.