超大采高采煤機(jī)搖臂潤滑及冷卻系統(tǒng)研究

卜 闖，高宏偉

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315；2.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710200)

我國陜蒙地區(qū)特厚煤層煤質(zhì)硬度大，開采效率高，對開采成套裝備智能化要求越來越高，對高端智能化大功率超大采高采煤機(jī)有著迫切的需求。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有成套開采裝備采高均在7m左右，無法滿足8m以上特厚煤層一次采全高的需求。國內(nèi)采煤機(jī)自20世紀(jì)從國外引進(jìn)到仿制以來有了長足的發(fā)展，在常規(guī)產(chǎn)品方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)制造，但長期受制于基礎(chǔ)材料、工藝、加工裝備及研發(fā)理念等綜合因素，高端大采高采煤機(jī)的技術(shù)水平還與國際存在較大差距。神東煤炭集團(tuán)從2016年起與西安煤礦機(jī)械有限公司聯(lián)合研發(fā)制造的大采高采煤機(jī)在大柳塔煤礦、補(bǔ)連塔煤礦投入使用，尤其是在搖臂的使用上，其可靠性及技術(shù)水平已達(dá)到進(jìn)口采煤機(jī)應(yīng)用效果。超大采高采煤機(jī)搖臂是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其作用是在綜采工作面采煤時(shí)將煤壁進(jìn)行破碎并裝運(yùn)到輸送機(jī)上。采煤機(jī)搖臂具有裝機(jī)功率比重大，承受負(fù)載最為復(fù)雜的特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)超大采高采煤機(jī)搖臂的高可靠性，主要難點(diǎn)是解決搖臂在大仰角、大沖擊惡劣工況下的潤滑冷卻問題。

1 超大采高采煤機(jī)問題分析及潤滑、冷卻系統(tǒng)開發(fā)

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

本次研發(fā)是針對神東礦區(qū)8m以上特厚煤層一次性采全高的綜采工作面采煤機(jī)。7m大采高采煤機(jī)搖臂仰角范圍在48°～50°，而8m以上超大采高采煤機(jī)搖臂的長度與最大仰角都大于目前市場上采高8m以下的同類產(chǎn)品。

1.1.1 潤滑方面

超大采高勢必對采煤機(jī)搖臂的長度增加提出更高要求，搖臂長度的增加將直接導(dǎo)致減速箱潤滑油飛濺的距離變得更遠(yuǎn)，但實(shí)際上搖臂內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)速并沒有很大的變化，它提供給潤滑油的初速度也相對穩(wěn)定，油液的飛濺高度并沒有改變，這就導(dǎo)致?lián)u臂減速箱上端齒輪、軸承潤滑困難，而如果單一的加大潤滑油的注油量，搖臂在仰角狀態(tài)時(shí)油液在減速箱下端聚集過多進(jìn)而會引起搖臂的油溫不能及時(shí)擴(kuò)散出去，最終導(dǎo)致?lián)u臂減速箱體內(nèi)部溫度過高出現(xiàn)齒輪、軸承等零部件損壞。

1.1.2 冷卻方面

現(xiàn)有大多數(shù)采煤機(jī)搖臂冷卻水只有一路主進(jìn)水管，冷卻水接到搖臂后再將其分成若干條支路，該布置方式不能有效控制每條支路的冷卻水流量和壓力，即使每條支路都裝有可調(diào)節(jié)流量的水閥，在搖臂有限的空間內(nèi)使各種零部件變得非常凌亂，給維護(hù)帶來不便；另外常規(guī)采煤機(jī)搖臂的冷卻主要采用多根不銹鋼冷卻管組成冷卻器，冷卻器安裝在采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)腔體內(nèi)部。超大采高采煤機(jī)搖臂窄臂身設(shè)計(jì)，其內(nèi)部空間有限。當(dāng)搖臂負(fù)載較大時(shí)，齒輪傳動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量非常高，使用常規(guī)不銹鋼冷卻管不能及時(shí)帶走齒輪箱油液內(nèi)的熱量，搖臂內(nèi)溫度過高，導(dǎo)致齒輪、軸承等零部件損壞。

1.2 超大采高長搖臂潤滑、冷卻系統(tǒng)開發(fā)

1.2.1 減速箱多單元獨(dú)立潤滑結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)采煤機(jī)搖臂在超大采高設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的潤滑油飛濺高度不夠，導(dǎo)致?lián)u臂在大仰角作業(yè)下末級齒輪、軸承等配件潤滑不良，而受潤滑不良和高溫影響發(fā)生搖臂齒輪、軸承損壞失效的問題。設(shè)計(jì)一種適應(yīng)超大采高大功率搖臂的多單元獨(dú)立潤滑結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過在搖臂減速腔內(nèi)部的適當(dāng)位置設(shè)置分隔潤滑油的密封裝置，將搖臂減速箱內(nèi)部分為三個(gè)獨(dú)立潤滑單元結(jié)構(gòu)。各個(gè)潤滑單元內(nèi)部為一個(gè)獨(dú)立空間，潤滑油不會在三個(gè)單元間相互流動(dòng)，進(jìn)而減小各單元潤滑油飛濺高度，實(shí)現(xiàn)搖臂內(nèi)部潤滑油分級飛濺潤滑效果。在搖臂擺動(dòng)過程中，尤其處于大仰角時(shí)，減速箱內(nèi)部各潤滑單元互不影響。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)保證減速箱各潤滑單元中的潤滑油不會交叉污染，即使采煤機(jī)搖臂冷卻水出現(xiàn)密封不嚴(yán)，冷卻水進(jìn)入減速箱內(nèi)部的情況時(shí)，多單元結(jié)構(gòu)也最大限度的控制了油液污染區(qū)域，縮短了問題排查的時(shí)間，繼而減少了搖臂檢修時(shí)間，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了搖臂維護(hù)成本，提高了搖臂減速箱的可靠性。

圖1 搖臂潤滑單元

1.2.2 多種結(jié)構(gòu)冷卻器的應(yīng)用

目前國內(nèi)外采煤機(jī)搖臂多使用不銹鋼冷卻管組組成的冷卻器。該結(jié)構(gòu)冷卻器由四根冷卻管組合而成，一端安裝在固定座上，另一端安裝有固定塊。固定塊安裝在搖臂臂身上，使用緊定螺釘將固定塊固定，另一端安裝在搖臂定位孔內(nèi)，使用緊定螺釘固定安裝。將冷卻器固定在搖臂臂身內(nèi)部，冷卻水在冷卻管內(nèi)循環(huán)一遍，將搖臂潤滑油腔內(nèi)的熱量帶走，起到降低潤滑油溫度的效果。但是不銹鋼導(dǎo)熱性能較差，搖臂臂身較長，不銹鋼冷卻管完全浸泡在潤滑油內(nèi)部有效冷卻距離短，不能起到良好的冷卻效果。

針對超大采高采煤機(jī)全新設(shè)計(jì)的一種銅制蛇形冷卻器，如圖2所示。在搖臂上設(shè)計(jì)多組蛇形結(jié)構(gòu)冷卻器，冷卻效率高，可單獨(dú)拆裝更換；在搖臂惰輪區(qū)域的惰輪軸上設(shè)計(jì)出冷卻水道，并串聯(lián)形成冷卻水路，實(shí)現(xiàn)潤滑油和冷卻水的快速熱交換，達(dá)到潤滑油冷卻降溫的目的。蛇形波紋冷卻器主要是采用銅制波紋冷卻管，采用銅管冷區(qū)器大大提高了導(dǎo)熱效率，在同等時(shí)間、同等流量冷卻水條件下，銅管冷卻器能夠帶走更多的熱量。將空心銅管外表做成波浪形，同等長度的冷卻管大大提高了換熱面積，提高了換熱效率；將銅管彎曲做成蛇盤旋形狀，可以大大減少安裝空間，同等空間大大增加換熱面積，同等水量能夠帶走更多的熱量，提高換熱效率。搖臂臂身中安裝多組蛇形波紋冷卻器，冷卻水通過冷卻管，帶走搖臂潤滑油中的溫度，將搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑油的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，有效解決了大功率超大采高采煤機(jī)搖臂潤滑油溫度高問題，保證傳動(dòng)系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

圖2 銅制蛇形冷卻器

1.2.3 多功能水分配閥

超大采高采煤機(jī)搖臂取消常規(guī)采煤機(jī)搖臂各冷卻水支路單獨(dú)設(shè)置水流量開關(guān)，根據(jù)采煤機(jī)冷卻系統(tǒng)采用多功能水分配閥組進(jìn)行各水路水流量控制。多功能水分配閥控制水流量大、結(jié)構(gòu)簡單、耐高壓、連接緊湊、便于安裝，集成了3個(gè)大流量開關(guān)，具有兩個(gè)DN19進(jìn)水快插2及四個(gè)DN13出水快插3母接頭，快插接頭便于和進(jìn)出水管路快速連接。其中三個(gè)出水口由集成的流量開關(guān)控制其開啟、截止和流量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

主總進(jìn)水設(shè)有流量壓力傳感器，分配閥各出口支路設(shè)有流量傳感。當(dāng)主路水流量和壓力達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)值時(shí)，通過流量傳感器調(diào)節(jié)各支路流量開關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)各支路水流量精準(zhǔn)控制。

假設(shè)其中之一主路進(jìn)水流量為110L，截割電機(jī)需要35L、牽引電機(jī)需要25L、泵電機(jī)需要20L、電控箱冷卻水需要30L，通過調(diào)節(jié)分配閥上的大流量開關(guān)，觀察各支路流量傳感器的讀數(shù)，互相配合實(shí)現(xiàn)各支路流量的精準(zhǔn)控制，從而保證各需要冷卻部件的散熱效果和使用壽命。

2 系統(tǒng)實(shí)施過程

2.1 多單元潤滑結(jié)構(gòu)

搖臂分隔密封位置如圖3所示，在搖臂內(nèi)安裝2個(gè)分隔密封，將搖臂分為3個(gè)獨(dú)立潤滑單元，各單元中潤滑油相互獨(dú)立，有效降低潤滑腔最大飛濺高度，減小仰角狀態(tài)油液在高速齒輪端聚集，避免了齒輪減速箱內(nèi)部因油液聚集產(chǎn)生的發(fā)熱問題，降低了減速箱發(fā)熱量，也使搖臂在設(shè)計(jì)時(shí)無需增加強(qiáng)迫潤滑系統(tǒng)，提升搖臂潤滑可靠性。

圖3 搖臂分隔密封位置

2.2 冷卻系統(tǒng)的建立

在搖臂內(nèi)設(shè)計(jì)多個(gè)冷卻器，通過高壓軟管連接。常規(guī)采煤機(jī)在更換搖臂冷卻器時(shí)需要拆卸搖臂及連接架，勞動(dòng)強(qiáng)度大，更換時(shí)間長，該結(jié)構(gòu)冷卻器獨(dú)立布置，可在不拆卸搖臂和連接架情況下獨(dú)立拆裝更換，大大節(jié)約更換時(shí)間，提高工作效率。

冷卻器之間通過高壓軟管連接，冷卻水通過冷卻器與搖臂內(nèi)的潤滑油進(jìn)行熱交換。如果某個(gè)冷卻器出現(xiàn)漏水失效時(shí)，可臨時(shí)利用高壓軟管繞過該冷卻器，直接連接下個(gè)冷卻器，不會影響采煤機(jī)正常工作。

在搖臂惰輪軸中設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水道，如圖4所示。惰輪水道外接高壓軟管，利用高壓軟管提供的冷卻水和搖臂內(nèi)的潤滑油進(jìn)行熱交換。通過兩種不同冷卻方式同時(shí)工作，在最大程度上帶走減速箱內(nèi)因齒輪傳動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量。

圖4 惰輪軸冷卻水道結(jié)構(gòu)

蛇形冷卻管主要由蛇形波紋冷卻管、固定快、進(jìn)水座、支撐座組成，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，體積較小，同等體積的情況下，相對表面積較大，換熱量效率高。蛇形冷卻管結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 蛇形冷卻管結(jié)構(gòu)布置

蛇形冷卻管主要是采用波紋銅管，制成蛇形盤旋狀，充分利用空間，冷卻管波紋狀大大增加冷卻管的表面散熱面積；蛇形波紋冷卻管采用紫銅材料，有較好的導(dǎo)熱和加工性能，可以焊接和釬焊。固定塊主要是對蛇形波紋冷卻管起到一個(gè)固定的作用，蛇形波紋冷卻管伸到搖臂臂身，搖臂在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生震動(dòng)，造成冷卻管損壞，通過固定塊來固定蛇形波紋冷卻管。進(jìn)水座主要是連接支撐座和主水路，主水路中的冷卻水通過進(jìn)水座進(jìn)入到冷卻管內(nèi)，起到一個(gè)連接的水路的作用。支撐座主要是對蛇形波紋冷卻管起到一個(gè)支撐作用，銅管質(zhì)地軟，如果內(nèi)部充滿水由于自身重量加上臂身震動(dòng)會將銅管壓彎，支撐座主要是由焊接性較好的鋼材料制成，有較好的支撐作用和焊接性。

2.3 多功能水分配閥

主路總進(jìn)水設(shè)有流量壓力傳感器，分配閥各出口支路設(shè)有流量傳感。當(dāng)主路水流量和壓力達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)值時(shí)，調(diào)節(jié)各支路大流量開關(guān)閥，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)梅花扳手為流量開關(guān)的截止方向，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)支路流量，直至轉(zhuǎn)不動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)為截止?fàn)顟B(tài)。調(diào)節(jié)大流量開關(guān)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)梅花扳手為流量開關(guān)的開啟方向，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)支路流量，直至轉(zhuǎn)不動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)為開啟狀態(tài)?？删珳?zhǔn)調(diào)節(jié)的支路水分別去截個(gè)電機(jī)、冷卻器、惰輪軸，通過流量傳感器和大流量開關(guān)閥配合，可以很好地實(shí)現(xiàn)流量控制。

而原有冷卻系統(tǒng)管路復(fù)雜，裝配困難，檢修困難，連接點(diǎn)多，成本加大，故障率高。使用多功能分配閥后，管路連接減少，大幅度降低了因連接造成的漏水故障，減少了工人的維護(hù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，裝配簡單，節(jié)約成本。另外礦井下冷卻水大多為地下水直接使用，礦井地下水含有大量酸性離子，腐蝕性強(qiáng)，對機(jī)械設(shè)備造成很大的腐蝕?？紤]經(jīng)濟(jì)性，管路接頭大多為碳鋼，不耐腐蝕，易生銹，造成管路漏水或堵塞，維護(hù)成本高，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。水分配閥減少管路和接頭的連接且材質(zhì)為不銹鋼，耐腐蝕性強(qiáng)。

多功能水分配閥在采煤機(jī)上的使用，簡化了原有采煤機(jī)水冷噴霧的管路布置，節(jié)省空間，便于管路裝配連接，減少生產(chǎn)中冷卻系統(tǒng)的維護(hù)量。精準(zhǔn)控制流量，確保了截割電機(jī)、牽引電機(jī)、泵電機(jī)等的冷卻效果，降低了因發(fā)熱而燒壞電機(jī)所帶來的成本消耗及損失。多功能水分配閥在采煤機(jī)上的使用，機(jī)械、電氣故障明顯降低，節(jié)約了人力成本、物力成本，降低了損失。

3 優(yōu)點(diǎn)分析

1)該系統(tǒng)將搖臂分為三個(gè)獨(dú)立潤滑單元結(jié)構(gòu)，各潤滑單元在搖臂處于大仰角時(shí)互不影響，解決了長搖臂在大仰角狀態(tài)下的潤滑問題。

2)在搖臂上設(shè)計(jì)獨(dú)立安裝蛇形冷卻器和惰輪軸冷卻水路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)潤滑油和冷卻水的高效熱交換，實(shí)現(xiàn)潤滑油的冷卻降溫，解決了長搖臂在大仰角狀態(tài)下的冷卻問題。

3)蛇形冷卻器采用純銅，銅比不銹鋼有更好的導(dǎo)熱率，同等長度的冷卻管，銅制冷卻管導(dǎo)熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不銹鋼冷卻管。

4)蛇形冷卻管采用波紋管，增加了相對的導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積較原來的圓銅管增加π/2倍，水分配閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，可精準(zhǔn)控制各支路流量，耐腐蝕性強(qiáng)，井下維護(hù)方便。

4 結(jié) 語

超大采高采煤機(jī)搖臂潤滑及冷卻系統(tǒng)是在長期摸索實(shí)踐中歸納的一種應(yīng)用實(shí)例，該系統(tǒng)創(chuàng)造性地提出一種多單元潤滑搖臂減速腔的結(jié)構(gòu)，并將水分配閥、冷卻惰輪軸和蛇形冷卻器等零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用在搖臂減速箱內(nèi)，在使用過程中采煤機(jī)搖臂溫度控制良好。對于外觀質(zhì)量而言，簡化了原有采煤機(jī)水冷噴霧的管路布置，節(jié)省空間，便于管路裝配連接，減少生產(chǎn)中冷卻系統(tǒng)的維護(hù)量。精準(zhǔn)控制流量，確保了搖臂各個(gè)冷卻水支路的冷卻效果。搖臂潤滑和冷卻系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)故障降低，采煤機(jī)的開機(jī)率明顯提升，為采煤機(jī)搖臂在潤滑、冷卻方面提供成功借鑒經(jīng)驗(yàn)。