陳 云，徐魁伍，張學(xué)剛

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

近 幾十年來隨著國內(nèi)工業(yè)和基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā) 展，對(duì)煤炭的需求快速增長(zhǎng)，急需建設(shè)新的千萬噸級(jí)礦井，提升產(chǎn)能[1-2]。煤礦井下工作面原煤運(yùn)輸刮板輸送機(jī)槽寬增大到 1 400 mm，綜采工作面刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率達(dá)到 3×2 000 kW，綜放工作面前后部刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率達(dá)到 3 000+2 000 kW，減速器功率達(dá)到 3 000 kW。刮板輸送機(jī)配置的減速器懸掛式安裝，受安裝空間限制，要求減速器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)刮板輸送機(jī)配置鏈條規(guī)格、鏈輪齒數(shù)和鏈速等參數(shù)確定了減速器的速比范圍為 26～41，單機(jī)裝機(jī)功率超過 400 kW 的減速器采用多級(jí)傳動(dòng)和行星齒輪組合形式[3]。針對(duì)大功率減速器輸入軸存在工作環(huán)境惡劣，潤(rùn)滑條件差，轉(zhuǎn)速高，承載不穩(wěn)定等情況，筆者分析了大功率減速器輸入軸結(jié)構(gòu)形式，為大功率礦用行星齒輪減速器高速軸的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 大功率減速器高速軸結(jié)構(gòu)形式

煤礦井下工作面刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)和液壓支架的配套形式如圖 1 所示。其配置的減速器有兩級(jí)行星齒輪減速器和三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器 2 種[4]。在煤礦井下為降低工作面支護(hù)難度，刮板輸送機(jī)用大功率行星減速器主要以三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器為主。三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖1 煤礦井下工作面三機(jī)配套Fig.1 Matching of three machines on work face in underground colliery

圖2 三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-stage conical cylindrical planetary gear reducer

刮板輸送機(jī)用行星齒輪減速器高速軸軸承潤(rùn)滑相對(duì)低速級(jí)軸承潤(rùn)滑條件較差[5]，軸承轉(zhuǎn)速和工作溫度都比較高，考慮到高溫下軸承內(nèi)外圈變形等因素，大功率減速器通常選用游隙較大的軸承[6]。由于三級(jí)圓錐圓柱行星齒輪減速器高速軸為錐齒輪軸，其工作時(shí)軸向力和徑向力都比較大，所以常規(guī)設(shè)計(jì)主要有 2 種結(jié)構(gòu)。一種是圓柱滾子軸承+四點(diǎn)接觸軸承結(jié)構(gòu)，如圖 3(a) 所示，用 1 對(duì)圓柱滾子軸承承受錐齒輪工作時(shí)的徑向力，用 1 個(gè)四點(diǎn)接觸軸承承受軸向力，將錐齒輪的軸向力分散開。當(dāng)軸直徑大于 170 mm 時(shí)，靠近錐齒輪端的軸承通常選用極限轉(zhuǎn)速高、承載能力更大的 NU 寬系列軸承，小直徑軸則選用雙列球面調(diào)心軸承。根據(jù)高速軸齒輪懸臂式安裝、離錐齒輪較遠(yuǎn)的軸承承受徑向支撐力小的特點(diǎn)，另一種選用雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)，同時(shí)承受軸向力和徑向力，如圖 3(b) 所示[7-8]。

圖3 高速軸結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Structural layout of high-speed shaft

2 大功率減速器高速軸結(jié)構(gòu)分析

2.1 軸承特點(diǎn)分析

從高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析來看，圖 3 所示 2 種軸承支撐布置結(jié)構(gòu)都能滿足要求。但從軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，四點(diǎn)接觸球軸承配合滾子軸承和調(diào)心軸承一起使用承受軸向力時(shí)，由于其軸向游隙小，雖然安裝操作方便，故障率低，但是軸承數(shù)量多，導(dǎo)致發(fā)熱源多，傳動(dòng)效率相對(duì)圓錐滾子軸承較低?？紤]徑向游隙的影響，功率超過 1 000 kW 的刮板輸送機(jī)用減速器高速軸徑向支撐軸承通常選用 C3 游隙，礦用減速器的特點(diǎn)和使用條件決定了在研發(fā)階段需要進(jìn)行大量試驗(yàn)和配裝。由于雙列圓錐滾子軸承工作時(shí)易出現(xiàn)零游隙或小負(fù)游隙狀態(tài)，所以決定了其軸向游隙是徑向游隙的 4 倍以上。采用雙列圓錐滾子軸承軸向定位結(jié)構(gòu)時(shí)，由于高速軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，在錐齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生軸向力的作用下，軸向位移量較大，一方面影響軸承兩排滾動(dòng)體的受力，另一方面也會(huì)對(duì)錐齒輪的接觸區(qū)造成影響[9]。

2.2 高速軸結(jié)構(gòu)分析

刮板輸送機(jī)用行星齒輪減速器箱體主要有整體式和上下剖分式 2 種結(jié)構(gòu)。減速器高速軸和第二軸布置形式如圖 4 所示。高速軸和第二軸呈直角布置結(jié)構(gòu)，在組裝時(shí)需調(diào)整錐齒輪副的接觸區(qū)，保證錐齒輪副的接觸區(qū)面積和接觸區(qū)位置。接觸區(qū)的調(diào)整是通過高速軸和第二軸的軸向移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，最終確定承受軸向力軸承的準(zhǔn)確位置，并進(jìn)行定位。因此，為降低錐齒輪副接觸區(qū)調(diào)整難度和便于軸承的軸向定位，將高速軸設(shè)計(jì)成軸承套杯結(jié)構(gòu)。在調(diào)整錐齒輪接觸區(qū)時(shí)，將高速軸傳動(dòng)組件作為一個(gè)整體進(jìn)行軸向移動(dòng)。接觸區(qū)調(diào)好后，只需根據(jù)軸承套杯與箱體之間軸向定位面的間隙，配做調(diào)整墊即可完成軸向定位。

圖4 減速器高速軸和第二軸布置形式Fig.4 Layout of high-speed shaft and second-shaft of reducer

刮板輸送機(jī)用行星齒輪減速器功率超過 1 000 kW 時(shí)，減速器體積受到安裝空間的限制，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。減速器油池工作溫度達(dá)到 80 ℃ 以上時(shí)，高速軸如果采用軸承套杯結(jié)構(gòu)，軸承冷卻條件相對(duì)較差，散熱條件不佳，對(duì)軸承的使用壽命會(huì)造成影響。目前 1 000 kW 以上的刮板輸送機(jī)用減速器工作效率已經(jīng)達(dá)到 95% 以上，雖然通過提高減速器零部件制造精度可以降低高速軸的工作溫度，但是過度追求制造精度將會(huì)提高制造成本，因此需要從結(jié)構(gòu)上去解決。大功率減速器為了降低高速軸軸承溫度，利用減速器高速軸處箱體的有限空間設(shè)計(jì)了冷卻水套，直接冷卻高速軸軸承。為提高冷卻效果，高速軸沒有設(shè)計(jì)軸承套杯，軸承直接安裝在箱體上，通過強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)將潤(rùn)滑油池的齒輪油及時(shí)輸送到高速軸軸承處，并將軸承產(chǎn)生的部分熱量及時(shí)帶走，如圖 5 所示。在四點(diǎn)接觸軸承兩側(cè)設(shè)計(jì)定位面，并預(yù)留間隙，方便調(diào)整錐齒輪接觸區(qū)，根據(jù)調(diào)整后的實(shí)際間隙配做調(diào)整墊。調(diào)整接觸區(qū)時(shí)，高速軸所有支撐軸承均需移動(dòng)，加調(diào)整墊時(shí)，需將高速軸組件整體從箱體中移出，整個(gè)操作過程相對(duì)比較復(fù)雜，但是調(diào)整后軸承冷卻效果相對(duì)較好。

圖5 3 000 kW 減速器高速軸強(qiáng)制潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)Fig.5 Forced lubrication structure of high-speed shaft of 3 000 kW reducer

3 結(jié)語

刮板輸送機(jī)用大功率行星齒輪減速器高速級(jí)錐齒輪軸選用與軸承支撐、布置結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時(shí)與減速器的使用環(huán)境、冷卻方式、制造精度、軸承承載能力、極限轉(zhuǎn)速以及潤(rùn)滑條件等都有直接關(guān)系。從目前應(yīng)用的 1 000 kW 以上刮板輸送機(jī)用行星齒輪減速器使用情況可以證明，高速軸用 1 對(duì)滾子軸承承受錐齒輪工作時(shí)的徑向力，1 個(gè)四點(diǎn)接觸軸承承受軸向力，采用水套冷卻和強(qiáng)制潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的使用效果最好。近十年來礦用大功率行星減速器隨著制造加工質(zhì)量的提升，已逐步替代進(jìn)口減速器。