连采机截割减速器的设计与装配

2021-09-22周建龙张站民

矿山机械 2021年9期

周建龙，张星，张站民

西安煤矿机械有限公司陕西西安 710200

连采技术是地下开采技术的重要组成部分。连采机具有采掘一体化，高效灵活等特点，与连续运输系统、梭车、行走支架、锚杆钻车及铲车等组成了短壁开采技术装备，适用于主采区煤田开采、遗存煤柱及边角煤回收和“三下”煤层的开采，而且在煤巷快速掘进中也有大量运用，其在煤巷的掘进速度是传统掘进机的 3～ 4 倍，可有效缓解采掘失衡矛盾。

连采机截割减速器作为连采机的主要工作部件，是将截割电动机的动力输出到滚筒，并承受来自滚筒截割煤岩的复杂载荷，因此在截割减速器的设计可靠性、关键部件的制造质量与加工精度、装配精度及合理的齿轮啮合间隙、轴承游隙控制等方面有较高要求，以保证截割减速器在工作时的高可靠性。

1 连采机截割减速器的设计

1.1 连采机截割部传动原理

连采机工作时，通过滚筒的旋转、履带的推进和截割升降液压缸的上下动作，实现工作面的掏槽和煤岩的截割[1]。连采机 2 个截割电动机的动力经左右对称布置的机械式摩擦限矩器与转矩轴等保护装置、左右一级直齿轮传动、二级圆锥齿轮传动、三级行星齿轮传动后，通过主轴合并输出，驱动滚筒的旋转，传动原理如图 1 所示。

图1 截割部传动原理Fig.1 Transmission principle of cutting unit

1.2 截割减速器的设计

连采机截割减速器主要由壳体、直齿轮、锥齿轮、型面传动轴、行星架、内齿圈、花键轴、盘类零件、轴承、密封件等零部件组成，如图 2 所示，内部结构较复杂，涉及到直齿轮传动、锥齿轮传动、行星传动、型面连接等方面，设计过程是复杂的系统工程。

图2 截割减速器结构Fig.2 Structure of cutting reducer

1.2.1 减速器传动系统设计

根据国外连采机截割减速器传动输出的总体要求，确定总传动比i=29.88。对于多级减速传动，按等强度原则设计，通常高速级传动比略大于低速级，可有效减小传动件的外廓尺寸，减轻质量，改善润滑条件，使得结构紧凑协调。通过参考和分析，确定出各级传动比i1=3.176，i2=3.095，i3=3.04。

对于单级的行星齿轮传动，通过选用适当的齿轮高变位，使中心距等于标准中心距，啮合角等于分度圆压力角，节圆与分度圆重合，齿顶高无需缩短等，来降低设计难度，并满足设计要求。为有利于均衡齿轮强度，行星轮采用正变位，太阳轮采用负变位，内齿圈采用负变位。确定各个传动齿轮的齿数、模数、中心距、变位系数等基本参数后，根据工况和使用条件，核算齿轮的齿根弯曲及齿面接触疲劳强度，并核定齿轮传动参数技术设计方案。

1.2.2 减速器壳体的设计

根据连采机截割减速器的结构特点、壳体后部与前部外圈过渡处与滚筒相关截齿轨迹的防干涉、壳体加工等方面综合考虑，连采机截割减速器壳体采用左右分体式对称结构，如图 3 所示。分体粗加工后，利用定位销连接再焊接为整体结构，以避免壳体整体铸造难度大及局部位置难以加工的问题。

图3 减速器壳体结构Fig.3 Structure of reducer case

连采机截割减速器壳体结构复杂，沟槽、曲面和空腔构造较多，容易导致应力集中或应力较大的情况发生。因此，设计中需要充分认识壳体的受力情况和内部受力件 (齿轮、轴承) 在壳体上的定位方式和位置，以及在截割作业中负载反馈的传递路径等，判断壳体的薄弱环节，避免设计缺陷。壳体材料选用高端采煤机摇臂壳体材料，调质处理硬度可达 270 HB，屈服强度大于750 MPa，满足使用工况要求。利用有限元软件分析[2]，壳体最大应力为 105 MPa (在壳体二轴空腔边缘处)，设计安全裕度较高。

2 连采机截割减速器的装配

连采机截割减速器中的一级直齿轮、二级锥齿轮、中部浮封座、驱动盘等重要部件都是通过轴向定位的圆锥滚子轴承支承，因此圆锥滚子轴承游隙的调节、锥齿轮啮合区域与侧隙、中部浮封架主轴承游隙的调整、主轴轴向位置的调整等方面显得尤为关键，若施行得当，可有效提高连采机截割减速器的装配精度，保证其平稳运行。

2.1 锥齿轮传动啮合区域与侧隙的调节

根据锥齿轮啮合传动的特点，按照先调啮合斑点再调侧隙的原则，通过在小锥齿轮大端轴承背面和小端轴承座的端面加适量垫片预紧，盘动小锥齿轮，用百分表测量小锥齿轮端面，根据测量数据增加或减少垫片，循环几次，将轴承间隙控制在 0.05～ 0.10 mm。将组装调好的大锥齿轮组件的轴承座端面加适量垫片预紧，转动小锥齿轮能带动大锥齿轮旋转即可。

在小锥齿轮连续 3～ 5 个齿面上涂抹着色剂，转动小锥齿轮观察相啮合齿面上的啮合痕迹，根据啮合的位置情况，调节小锥齿轮大端轴承背面和大锥齿轮组件轴承座端面处的垫片。重复上述操作，可将锥齿轮的啮合区域调整到理想状态，以提高传动可靠性(见图 4)。

图4 锥齿轮传动啮合区域与侧隙的调节Fig.4 Control of meshing area and side clearance of bevel gear transmission

啮合区域调整到位后，兼顾侧隙要求，通过微调大锥齿轮组件轴承座端面的垫片，将锥齿轮传动侧隙控制在 0.25～ 0.40 mm[3-4]。

2.2 中部浮封架主轴承游隙的调整

中部浮封架上的 2 个主轴承是中部滚筒截割工作时的承载部件，同时起到保证中部浮封密封效果的作用。

利用螺栓对称施力，将 2 个中部浮封架各自固定在大锥齿轮组件的轴承座上，记录浮封架端面与大锥齿轮组件轴承座端面的距离，测量 2 个中部浮封架内侧端面距离、中部连接筒及距离座端面距离后，计算和添加相应厚度的垫片。此时拆卸中部浮封架上的螺栓后，2 个主轴承自由复位，检测浮封架端面与大锥齿轮组件轴承座端面距离的变化，从而判断主轴承的游隙是否达到安装要求。

2.3 主轴轴向位置的调整

减速器锥齿轮传动及中部传动零部件、行星组件、外侧浮动座安装后，装入主轴，首先根据主轴上打有标记的外花键与中部连接筒上标记的内花键配合，再装入外侧驱动盘。要求有标记的内花键与主轴上标记的外花键配合安装，即中部连接筒与 2 个外侧驱动盘上的矩形键槽成直线，以利于截割滚筒安装，并可保证滚筒截齿排布的正确性。

将螺栓穿过 2 个工装压盘 (见图 5) 拧入主轴预紧，用深度尺测量左右工装外端面到主轴端面的距离，调整后要求两侧距离不大于0.2 mm，再对称紧固左右胀套上的螺栓，使胀套将主轴和驱动盘充分紧固，此时主轴和驱动盘为静止状态下的极限位置。