采煤机摇臂减速箱冷却系统与装置的改进

胡雪峰

（阳泉华越创力采掘机械制造有限公司， 山西 阳泉 045000）

引言

近年来，随着综采工作面采煤工艺、支护手段以及综采设备自动化水平的不断提升，工作面的采煤效率得到显著提升。采煤机作为综采工作面的关键设备，其截割能力直接决定工作面生产能力。随着采煤机装机功率越来越大，其摇臂传递功率也随之增加，对应在实际生产过程中的发热量也越来越大。鉴于综采工作面的空间有限且水量等因素的局限性，不仅导致采煤机摇臂减速器散热能力有限，而且降低了采煤机整机系统的可靠性，以及生产效率[1]。因此，着重对采煤机摇臂减速箱冷却系统及装置进行研究改进。

1 采煤机摇臂减速器概述

采煤机摇臂减速器为整机系统的关键分系统，其作为与煤层直接接触的部件之一，主要包括截割电机、离合器、减速器、行星齿轮轮系等[2]。本文着重对采煤机摇臂截割系统中的减速箱结构进行研究，其主要包括有壳体、轴组、行星减速器、喷雾降尘装置等组成。如图1 所示。

图1 采煤机摇臂减速器结构示意图

采煤机摇臂壳体为整体铸钢结构；轴件包括有Ⅰ轴组件、Ⅱ轴组件、Ⅲ轴组件、Ⅳ轴组件、Ⅴ轴组件、Ⅵ轴组件、Ⅶ轴组件，其中Ⅰ轴组件与截割电机扭矩轴相联，Ⅱ轴组件、Ⅳ轴组件、Ⅴ轴组件、Ⅵ轴组件为惰轮组，Ⅲ轴组件、Ⅶ轴组件主要为增强传动系统的稳定性；喷雾降尘系统主要承担对截割点粉尘、煤尘浓度的控制任务；行星减速器提高采煤机摇臂系统整体运行平稳性[3]。

采煤机摇臂减速箱除了常规结构部件外，还包括有冷却、润滑系统。鉴于采煤机属于大型机电设备，且在实际工作时时刻处于一个相对较小幅度的振动状态中，因此对其冷却和润滑的要求更高，主要表现为：其冷却系统的水量不能太大，水量太大容易导致煤质较差，从而影响企业利润；对于润滑系统而言，鉴于工作面空间有限对应采煤机摇臂的空间也受到限制，从而使其内部有效润滑的空间较小。本文着重对采煤机摇臂的冷却系统进行研究，当前冷却系统主要为水冷方式，且包括两路冷却，其中一路为高压水冷却，为摇臂减速箱的主要冷却方式；另一路为低压水冷却，为摇臂减速箱的辅助冷却方式。

2 采煤机摇臂减速箱的热平衡分析

采煤机在实际工作中，由于其传动系统内部轮齿、轴承等摩擦会产生大量的热，从而造成功率损失。如果对实际生产中齿轮与齿轮、轴承等部件摩擦所产生的热量不及时散出的话，会导致系统的润滑效率降低，从而加剧齿轮、轴承等部件的磨损，加剧其失效。

2.1 采煤机摇臂减速箱热源分析

采煤机摇臂在实际工作中的主要热源可以定性为传动功率的损失，并以热量的形式被排出，主要变现为齿轮与齿轮的啮合，齿轮与轴承之间的啮合，油封功率的损失以及齿轮搅拌油液产生的热量。

1）对于齿轮与齿轮啮合所产生的热量其与传动效率和输入功率相关；

2）轴承作为支撑负荷的机械零件，其主要表现为点与线的摩擦所产生的热量，所生产热量主要与轴承参数及传递功率相关；

3）对于油封功率损失所产生的热量主要与齿轮轴的静态及动态参数、油箱的温度以及油液的参数相关；

4）对于轮齿搅拌油液所产生的热量主要与其所采用的润滑方式相关，主要热源与摇臂工况的不同而不同[4]。

经计算，得出上述四种途径所产生热量的具体数值如表1 所示：

表1 采煤机摇臂减速箱热源定量分析 kJ/h

如表1 所示，采煤机摇臂减速箱的主要发热来源为齿轮与齿轮的啮合，齿轮与轴承之间的啮合，以及齿轮搅拌油液产生的热量。因此，需注重对上述三种发热方式下的热量进行散热处理。

2.2 采煤机摇臂散热分析

目前，采煤机摇臂减速器在工作中所产生的热量可通过摇臂壳体与工作面空气的热交换；摇臂的水冷却热传导、润滑油液的散热以及各个连接零部件之前的热传动进行散热。

摇臂表面壳体散热主要分为对流散热和传导散热；摇臂接触部分表面散热主要为热量通过摇臂与采煤机其他部件的连接件通过热传导到进行散热；摇臂水冷却散热主要通过一定压力的水实现冷却。经对采煤机摇臂减速箱各种散热方式下的散热量进行定量分析。

综上所述，采煤机摇臂在工作中主要热源为齿轮、轴承以及轮齿搅拌的油液所产生的热量，而且当摇臂向上转动角度越大时所产生的热量越大。对于散热而言，单纯依靠摇臂壳体表面以及与其他部件热传导散热无法满足设备整体的散热要求，必须采取外部强制散热方式。为提升当前采煤机摇臂系统的散热效果急需对其冷却系统及装置进行优化设计。

3 冷却系统及装置的优化

采煤机摇臂传统散热方式为壳体水套冷却，但是随着装机功率的不断增加，传统壳体水套冷却方式已经无法满足散热要求。因此，需对采煤机摇臂系统配置热平衡系统，并对其冷却系统及涉及的装置进行优化[5]。具体阐述如下：

3.1 壳体水套冷却的优化

1）传统壳体水套冷却有两路冷却水组成，分别为高压水和低压水，其中高压水为内喷雾系统喷射出一定压力的冷却水；低压水由已经冷却过牵引系统的冷却水。

2）高压水的冷却路径为水阀—摇臂壳体冷却水道—内喷雾供水装置—滚筒叶片水道—喷嘴。

3）低压水的冷却途径为已冷却过牵引电机的水—摇臂截割电机—摇臂壳体冷却水道—大喷嘴。

为提高壳体水道的冷却效果，对上述两路冷却水的路径进行优化，具体如下：

1）高压水：水阀—摇臂齿轮箱的全螺纹冷却水管组—冷却齿轮箱润滑油冷却—行星头壳体冷却水道—摇臂壳体冷却水道—内喷雾供水装置—滚筒叶片水道—喷嘴。

2）低压水：已冷却过牵引电机的水—摇臂截割电机—摇臂壳体冷却水道（蛇形分布于摇臂壳体表面）—大喷嘴。

3.2 减速箱强制润滑冷却

鉴于当摇臂处于大倾角工况时所产生的热量最大，主要由于在大倾角工况下摇臂传动系统的齿轮得不到有效的润滑，从而加剧摩擦产生的热量急剧增大。因此，需在大倾角工况下为其配置低速强迫润滑冷却装置，使其在大倾角工况下也可对齿轮进行有效润滑，减小摩擦，降低发热量。低速强迫润滑冷却装置安装效果如图2 所示：

图2 低速强迫冷却润滑装置

4 结语

采煤机摇臂系统为其核心分系统，其主要承担对煤层的截割任务，对截割高度、深度进行控制。随着采煤机装机功率的不断增加，传统摇臂壳体水套冷却方式的散热效果已经无法满足摇臂传动系统的散热需求，为此对摇臂壳体水套冷却的高压、低压水冷却路径进行优化（在高压水冷却路径中增加对润滑油箱的冷却，在低压水冷区中设置蛇形水道增加冷却面积）；对大倾角工况下润滑不佳导致发热量增加的问题为其配置低速强迫冷却润滑装置。