超大采高采煤机摇臂润滑及冷却系统研究

卜 闯，高宏伟

(1.国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 技术研究院，陕西 榆林 719315；2.西安煤矿机械有限公司，陕西 西安 710200)

我国陕蒙地区特厚煤层煤质硬度大，开采效率高，对开采成套装备智能化要求越来越高，对高端智能化大功率超大采高采煤机有着迫切的需求。目前，国内外现有成套开采装备采高均在7m左右，无法满足8m以上特厚煤层一次采全高的需求。国内采煤机自20世纪从国外引进到仿制以来有了长足的发展，在常规产品方面已经实现了自主设计制造，但长期受制于基础材料、工艺、加工装备及研发理念等综合因素，高端大采高采煤机的技术水平还与国际存在较大差距。神东煤炭集团从2016年起与西安煤矿机械有限公司联合研发制造的大采高采煤机在大柳塔煤矿、补连塔煤矿投入使用，尤其是在摇臂的使用上，其可靠性及技术水平已达到进口采煤机应用效果。超大采高采煤机摇臂是采煤机的关键部件之一，其作用是在综采工作面采煤时将煤壁进行破碎并装运到输送机上。采煤机摇臂具有装机功率比重大，承受负载最为复杂的特点。要实现超大采高采煤机摇臂的高可靠性，主要难点是解决摇臂在大仰角、大冲击恶劣工况下的润滑冷却问题。

1 超大采高采煤机问题分析及润滑、冷却系统开发

1.1 技术难点

本次研发是针对神东矿区8m以上特厚煤层一次性采全高的综采工作面采煤机。7m大采高采煤机摇臂仰角范围在48°～50°，而8m以上超大采高采煤机摇臂的长度与最大仰角都大于目前市场上采高8m以下的同类产品。

1.1.1 润滑方面

超大采高势必对采煤机摇臂的长度增加提出更高要求，摇臂长度的增加将直接导致减速箱润滑油飞溅的距离变得更远，但实际上摇臂内齿轮转速并没有很大的变化，它提供给润滑油的初速度也相对稳定，油液的飞溅高度并没有改变，这就导致摇臂减速箱上端齿轮、轴承润滑困难，而如果单一的加大润滑油的注油量，摇臂在仰角状态时油液在减速箱下端聚集过多进而会引起摇臂的油温不能及时扩散出去，最终导致摇臂减速箱体内部温度过高出现齿轮、轴承等零部件损坏。

1.1.2 冷却方面

现有大多数采煤机摇臂冷却水只有一路主进水管，冷却水接到摇臂后再将其分成若干条支路，该布置方式不能有效控制每条支路的冷却水流量和压力，即使每条支路都装有可调节流量的水阀，在摇臂有限的空间内使各种零部件变得非常凌乱，给维护带来不便；另外常规采煤机摇臂的冷却主要采用多根不锈钢冷却管组成冷却器，冷却器安装在采煤机摇臂传动系统腔体内部。超大采高采煤机摇臂窄臂身设计，其内部空间有限。当摇臂负载较大时，齿轮传动摩擦产生的热量非常高，使用常规不锈钢冷却管不能及时带走齿轮箱油液内的热量，摇臂内温度过高，导致齿轮、轴承等零部件损坏。

1.2 超大采高长摇臂润滑、冷却系统开发

1.2.1 减速箱多单元独立润滑结构

针对传统采煤机摇臂在超大采高设计中出现的润滑油飞溅高度不够，导致摇臂在大仰角作业下末级齿轮、轴承等配件润滑不良，而受润滑不良和高温影响发生摇臂齿轮、轴承损坏失效的问题。设计一种适应超大采高大功率摇臂的多单元独立润滑结构，如图1所示。通过在摇臂减速腔内部的适当位置设置分隔润滑油的密封装置，将摇臂减速箱内部分为三个独立润滑单元结构。各个润滑单元内部为一个独立空间，润滑油不会在三个单元间相互流动，进而减小各单元润滑油飞溅高度，实现摇臂内部润滑油分级飞溅润滑效果。在摇臂摆动过程中，尤其处于大仰角时，减速箱内部各润滑单元互不影响。该设计结构能够同时保证减速箱各润滑单元中的润滑油不会交叉污染，即使采煤机摇臂冷却水出现密封不严，冷却水进入减速箱内部的情况时，多单元结构也最大限度的控制了油液污染区域，缩短了问题排查的时间，继而减少了摇臂检修时间，降低人员劳动强度，降低了摇臂维护成本，提高了摇臂减速箱的可靠性。

图1 摇臂润滑单元

1.2.2 多种结构冷却器的应用

目前国内外采煤机摇臂多使用不锈钢冷却管组组成的冷却器。该结构冷却器由四根冷却管组合而成，一端安装在固定座上，另一端安装有固定块。固定块安装在摇臂臂身上，使用紧定螺钉将固定块固定，另一端安装在摇臂定位孔内，使用紧定螺钉固定安装。将冷却器固定在摇臂臂身内部，冷却水在冷却管内循环一遍，将摇臂润滑油腔内的热量带走，起到降低润滑油温度的效果。但是不锈钢导热性能较差，摇臂臂身较长，不锈钢冷却管完全浸泡在润滑油内部有效冷却距离短，不能起到良好的冷却效果。

针对超大采高采煤机全新设计的一种铜制蛇形冷却器，如图2所示。在摇臂上设计多组蛇形结构冷却器，冷却效率高，可单独拆装更换；在摇臂惰轮区域的惰轮轴上设计出冷却水道，并串联形成冷却水路，实现润滑油和冷却水的快速热交换，达到润滑油冷却降温的目的。蛇形波纹冷却器主要是采用铜制波纹冷却管，采用铜管冷区器大大提高了导热效率，在同等时间、同等流量冷却水条件下，铜管冷却器能够带走更多的热量。将空心铜管外表做成波浪形，同等长度的冷却管大大提高了换热面积，提高了换热效率；将铜管弯曲做成蛇盘旋形状，可以大大减少安装空间，同等空间大大增加换热面积，同等水量能够带走更多的热量，提高换热效率。摇臂臂身中安装多组蛇形波纹冷却器，冷却水通过冷却管，带走摇臂润滑油中的温度，将摇臂传动系统润滑油的温度控制在允许的范围内，有效解决了大功率超大采高采煤机摇臂润滑油温度高问题，保证传动系统正常稳定工作。

图2 铜制蛇形冷却器

1.2.3 多功能水分配阀

超大采高采煤机摇臂取消常规采煤机摇臂各冷却水支路单独设置水流量开关，根据采煤机冷却系统采用多功能水分配阀组进行各水路水流量控制。多功能水分配阀控制水流量大、结构简单、耐高压、连接紧凑、便于安装，集成了3个大流量开关，具有两个DN19进水快插2及四个DN13出水快插3母接头，快插接头便于和进出水管路快速连接。其中三个出水口由集成的流量开关控制其开启、截止和流量精准调节。

主总进水设有流量压力传感器，分配阀各出口支路设有流量传感。当主路水流量和压力达到系统所设值时，通过流量传感器调节各支路流量开关阀，实现各支路水流量精准控制。

假设其中之一主路进水流量为110L，截割电机需要35L、牵引电机需要25L、泵电机需要20L、电控箱冷却水需要30L，通过调节分配阀上的大流量开关，观察各支路流量传感器的读数，互相配合实现各支路流量的精准控制，从而保证各需要冷却部件的散热效果和使用寿命。

2 系统实施过程

2.1 多单元润滑结构

摇臂分隔密封位置如图3所示，在摇臂内安装2个分隔密封，将摇臂分为3个独立润滑单元，各单元中润滑油相互独立，有效降低润滑腔最大飞溅高度，减小仰角状态油液在高速齿轮端聚集，避免了齿轮减速箱内部因油液聚集产生的发热问题，降低了减速箱发热量，也使摇臂在设计时无需增加强迫润滑系统，提升摇臂润滑可靠性。

图3 摇臂分隔密封位置

2.2 冷却系统的建立

在摇臂内设计多个冷却器，通过高压软管连接。常规采煤机在更换摇臂冷却器时需要拆卸摇臂及连接架，劳动强度大，更换时间长，该结构冷却器独立布置，可在不拆卸摇臂和连接架情况下独立拆装更换，大大节约更换时间，提高工作效率。

冷却器之间通过高压软管连接，冷却水通过冷却器与摇臂内的润滑油进行热交换。如果某个冷却器出现漏水失效时，可临时利用高压软管绕过该冷却器，直接连接下个冷却器，不会影响采煤机正常工作。

在摇臂惰轮轴中设计循环冷却水道，如图4所示。惰轮水道外接高压软管，利用高压软管提供的冷却水和摇臂内的润滑油进行热交换。通过两种不同冷却方式同时工作，在最大程度上带走减速箱内因齿轮传动摩擦产生的热量。

图4 惰轮轴冷却水道结构

蛇形冷却管主要由蛇形波纹冷却管、固定快、进水座、支撑座组成，结构简单，安装方便，体积较小，同等体积的情况下，相对表面积较大，换热量效率高。蛇形冷却管结构布置如图5所示。

图5 蛇形冷却管结构布置

蛇形冷却管主要是采用波纹铜管，制成蛇形盘旋状，充分利用空间，冷却管波纹状大大增加冷却管的表面散热面积；蛇形波纹冷却管采用紫铜材料，有较好的导热和加工性能，可以焊接和钎焊。固定块主要是对蛇形波纹冷却管起到一个固定的作用，蛇形波纹冷却管伸到摇臂臂身，摇臂在生产过程中容易产生震动，造成冷却管损坏，通过固定块来固定蛇形波纹冷却管。进水座主要是连接支撑座和主水路，主水路中的冷却水通过进水座进入到冷却管内，起到一个连接的水路的作用。支撑座主要是对蛇形波纹冷却管起到一个支撑作用，铜管质地软，如果内部充满水由于自身重量加上臂身震动会将铜管压弯，支撑座主要是由焊接性较好的钢材料制成，有较好的支撑作用和焊接性。

2.3 多功能水分配阀

主路总进水设有流量压力传感器，分配阀各出口支路设有流量传感。当主路水流量和压力达到系统所设值时，调节各支路大流量开关阀，顺时针转动梅花扳手为流量开关的截止方向，转动圈数可精准调节支路流量，直至转不动时，系统为截止状态。调节大流量开关逆时针转动梅花扳手为流量开关的开启方向，转动圈数可精准调节支路流量，直至转不动时，系统为开启状态。可精准调节的支路水分别去截个电机、冷却器、惰轮轴，通过流量传感器和大流量开关阀配合，可以很好地实现流量控制。

而原有冷却系统管路复杂，装配困难，检修困难，连接点多，成本加大，故障率高。使用多功能分配阀后，管路连接减少，大幅度降低了因连接造成的漏水故障，减少了工人的维护量和劳动强度，装配简单，节约成本。另外矿井下冷却水大多为地下水直接使用，矿井地下水含有大量酸性离子，腐蚀性强，对机械设备造成很大的腐蚀。考虑经济性，管路接头大多为碳钢，不耐腐蚀，易生锈，造成管路漏水或堵塞，维护成本高，经济损失严重。水分配阀减少管路和接头的连接且材质为不锈钢，耐腐蚀性强。

多功能水分配阀在采煤机上的使用，简化了原有采煤机水冷喷雾的管路布置，节省空间，便于管路装配连接，减少生产中冷却系统的维护量。精准控制流量，确保了截割电机、牵引电机、泵电机等的冷却效果，降低了因发热而烧坏电机所带来的成本消耗及损失。多功能水分配阀在采煤机上的使用，机械、电气故障明显降低，节约了人力成本、物力成本，降低了损失。

3 优点分析

1)该系统将摇臂分为三个独立润滑单元结构，各润滑单元在摇臂处于大仰角时互不影响，解决了长摇臂在大仰角状态下的润滑问题。

2)在摇臂上设计独立安装蛇形冷却器和惰轮轴冷却水路结构，实现润滑油和冷却水的高效热交换，实现润滑油的冷却降温，解决了长摇臂在大仰角状态下的冷却问题。

3)蛇形冷却器采用纯铜，铜比不锈钢有更好的导热率，同等长度的冷却管，铜制冷却管导热效果远远大于不锈钢冷却管。

4)蛇形冷却管采用波纹管，增加了相对的导热面积，导热面积较原来的圆铜管增加π/2倍，水分配阀设计结构紧凑，可精准控制各支路流量，耐腐蚀性强，井下维护方便。

4 结 语

超大采高采煤机摇臂润滑及冷却系统是在长期摸索实践中归纳的一种应用实例，该系统创造性地提出一种多单元润滑摇臂减速腔的结构，并将水分配阀、冷却惰轮轴和蛇形冷却器等零件进行优化设计应用在摇臂减速箱内，在使用过程中采煤机摇臂温度控制良好。对于外观质量而言，简化了原有采煤机水冷喷雾的管路布置，节省空间，便于管路装配连接，减少生产中冷却系统的维护量。精准控制流量，确保了摇臂各个冷却水支路的冷却效果。摇臂润滑和冷却系统的可靠运行，也使机械传动系统故障降低，采煤机的开机率明显提升，为采煤机摇臂在润滑、冷却方面提供成功借鉴经验。