掘進(jìn)機(jī)懸臂段密封系統(tǒng)的改進(jìn)研究

馮屯生

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

掘進(jìn)機(jī)在煤、巖巷道掘進(jìn)中應(yīng)用廣泛。掘進(jìn)機(jī)截割煤、巖層通過截割機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，是整個掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵組成部件。截割機(jī)構(gòu)的任何故障都會給掘進(jìn)機(jī)正常工作帶來影響。懸臂段是掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件，由軸承、主軸、端蓋及浮動密封等部件組成，主要用于截割機(jī)構(gòu)扭矩傳送。浮動密封一般是由O型橡膠密封圈、一對浮動密封環(huán)組成，為了確保O型橡膠密封圈與浮動密封環(huán)接觸密實，主軸上溝槽需要精密加工，而溝槽上幾何形狀同時也是導(dǎo)致主軸扭斷失效的主要原因[1-2]。在掘進(jìn)機(jī)懸臂段的浮動密封溝槽加工精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度滿足不了使用要求時很容易造成主軸出現(xiàn)應(yīng)力集中，嚴(yán)重時引起扭斷疲勞失效。因此，需要針對掘進(jìn)機(jī)懸臂段現(xiàn)采用的浮動密封系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 掘進(jìn)機(jī)懸臂段及其密封結(jié)構(gòu)組成及作用

1.1 掘進(jìn)機(jī)懸臂段

掘進(jìn)機(jī)懸臂主要由懸臂筒、主軸兩部分組成，通過軸承將主軸置于懸臂筒內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。在主軸一端采用法蘭盤與截割頭相連，另一端采用花鍵與減速器相連。減速器通過主軸將扭矩傳送給截割頭，從而避免截割頭與煤、巖石接觸過程中產(chǎn)生的沖擊、振動直接作用于減速器零部件上，影響減速器運行[3]。在掘進(jìn)機(jī)懸臂整體設(shè)計確定的情況下，一般采用1～2組軸承支撐主軸，具有內(nèi)噴霧功能的截割頭還需要在懸臂段上設(shè)計配水裝置，高壓水從A口進(jìn)入主軸，并經(jīng)B口排出，實現(xiàn)截割頭抑塵降溫作用。

圖1 掘進(jìn)機(jī)懸臂段結(jié)構(gòu)

圖2 傳統(tǒng)O型密封結(jié)構(gòu)

1.2 掘進(jìn)機(jī)懸臂段密封

礦井采用的掘進(jìn)機(jī)密封系統(tǒng)多是浮動密封，該密封裝置集將浮換、間隙以及梳齒密封為一體，通過油膜張力防止泄露，在石化、冶金以及電力等存在較大沖擊載荷的設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛。采用的密封環(huán)經(jīng)過配對研磨之后與O型密封圈配合使用，具體見圖2。O型橡膠圈一面套在密封環(huán)上，另一面與零部件上的錐形緊固面貼合，為了確保O型橡膠圈可以緊固地固定于溝槽之內(nèi)，對加工的溝槽精度及幾何形狀都有較高要求，具體溝槽加工見下頁圖3。溝槽內(nèi)部為3段連續(xù)相切的圓弧，同時為了確保溝槽內(nèi)部傾斜表面與O型橡膠密封圈間摩擦阻力可以滿足O型橡膠圈擠壓后產(chǎn)生的徑向彈性力，應(yīng)確保在溝槽各個連續(xù)相切圓弧段上的粗糙度各不相同。同時為保證O型橡膠密封圈受擠壓后能夠產(chǎn)生足夠徑向彈性力，使得O型橡膠密封圈與密封面接觸密實[4-5]，這就對兩個臨近的部件間隙有嚴(yán)苛要求。若密封溝槽的幾何尺寸、表面質(zhì)量、零部件間隙等任一指標(biāo)不滿足設(shè)計要求，都會給浮動密封裝置使用壽命以及密封效果帶來影響。

圖3 O型密封結(jié)構(gòu)溝槽示意圖（單位：mm）

2 掘進(jìn)機(jī)懸臂段密封存在問題

一般情況下掘進(jìn)機(jī)懸臂密封段采用浮動密封方式，截割頭截割煤、巖層中會產(chǎn)生各種粒徑的煤、巖粉塵，當(dāng)產(chǎn)生的粉塵粒徑直徑小于浮動密封系統(tǒng)相對旋轉(zhuǎn)部件間最小間隙時，小粒徑粉塵會與O型橡膠密封圈直接接觸，在掘進(jìn)機(jī)截割煤、巖層帶來的沖擊載荷作用下，小粒徑粉塵會嵌入到緊固錐面，在O型橡膠密封圈上形成鍥型空間，從而引起浮動密封系統(tǒng)失效。

當(dāng)密封系統(tǒng)失效后會造成懸臂段內(nèi)部的潤滑油泄漏，懸臂段內(nèi)的潤滑油溫度增加，進(jìn)一步降低O型橡膠密封圈密封效果。若上述問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，更多的粉塵會進(jìn)入到懸臂段腔體內(nèi)，引起軸承軌道磨損程度增加。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)工作時，懸臂墻內(nèi)用以潤滑軸承的潤滑油溫度升高，軸承內(nèi)外圈可能會出現(xiàn)漲裂，同時O型橡膠密封圈也會在沖擊載荷及溫度耦合作用下發(fā)生斷裂。由于懸臂段密封系統(tǒng)失效造成懸臂無法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致巷道掘進(jìn)工作停滯。懸臂段采用浮動密封在更換及設(shè)備安裝過程中對緊固錐面清潔程度、旋轉(zhuǎn)零部件間間隙等要求嚴(yán)格，井下條件往往難以滿足浮動密封更換及安裝需要[6]。

3 懸臂段密封系統(tǒng)改進(jìn)方案的設(shè)計

3.1 浮動密封的改進(jìn)

為了降低懸臂內(nèi)的主軸加工制作難度，提升浮動密封可靠性，將懸臂段浮動密封改造成Z型，具體見圖4。該結(jié)構(gòu)由兩個對稱Z型橡膠密封圈及兩個具有堆型截面密封圈組成。將Z型橡膠密封圈下面與密封圈貼合密實，上面與零件溝槽面貼合密實，當(dāng)具有相對旋轉(zhuǎn)位移的兩個零部件間間隙達(dá)到設(shè)計值后，在Z型橡膠密封圈受擠壓產(chǎn)生的彈性力作用下，密封環(huán)堆型面完全被密封圈壓緊，從而實現(xiàn)密封效果。密封環(huán)采用具有較高硬度的鑄鐵件，同時具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力。采用Z型密封方式不需要在零部件上加工幾何形狀復(fù)雜、精度要求高的槽溝，降低零部件加工及安裝難度，不僅可以確保浮動密封的使用，而且還具備較強(qiáng)的密封效果。

圖4 改進(jìn)后的Z型密封結(jié)構(gòu)

當(dāng)存在相對旋轉(zhuǎn)位移的零部件工作時，在密封環(huán)間會形成V型縫隙，由于空間內(nèi)充滿潤滑油，在離心力以及毛細(xì)作用下，潤滑油與金屬密封件貼附，從而使得密封環(huán)接觸面得以充分潤滑，也可以起到一定的散熱作用。同時密封環(huán)一側(cè)形狀為V型，可以有效提升改進(jìn)后的浮動密封系統(tǒng)使用年限。采用改進(jìn)后的密封方式可以在密封面邊緣形成一層油膜，在對密封系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)過程中，若存在油膜，則表明浮動密封系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。

改進(jìn)后的Z型浮動密封相對于傳統(tǒng)的O型密封結(jié)構(gòu)更為簡單，對零部件加工精度要求低，更能適用煤礦井下掘進(jìn)工作面復(fù)雜掘進(jìn)環(huán)境的需要，是后續(xù)礦井掘進(jìn)機(jī)精密元件密封的選型發(fā)展方向之一。

3.2 密封系統(tǒng)主軸強(qiáng)度的校核

將懸臂浮動密封由O型改為Z型后，主軸上溝槽形狀發(fā)生改變。針對主軸在適用環(huán)境具體情況，構(gòu)建三維模型，采用有限元分析方法對改造后的主軸強(qiáng)度進(jìn)行校核。為了規(guī)避在主軸花鍵退刀槽處出現(xiàn)疲勞損傷，將花鍵直徑在原基礎(chǔ)上增加5%～8%，花鍵齒數(shù)也增大，具體見圖5。在靜連接、齒面熱處理以及中等加工精度調(diào)價下，主軸花鍵齒面受到擠壓應(yīng)力模擬結(jié)果為21 MPa，較O型浮動密封時擠壓應(yīng)力降低11%，可以滿足使用需要。

圖5 改進(jìn)后的主軸尺寸參數(shù)（單位：mm）

由于增加了連接花鍵及軸承間的主軸半徑，從而使得主軸抗扭強(qiáng)度增加，同時安裝的軸承直徑及位置均未發(fā)生改變，懸臂段殼體未發(fā)生任何變化，軸承受力及對應(yīng)的使用壽命模擬也顯示未出現(xiàn)顯著變化。采用Solidworks建立模擬模型，并采用Simulation模塊進(jìn)計算分析，結(jié)果見圖6。

圖6 改進(jìn)前后的主軸受力（MPa）情況

在模擬中對主軸兩端的法蘭及花鍵均進(jìn)行一定簡化，提高模擬效率。主軸材質(zhì)為42CrMo，工作扭矩為80 kN·m。模擬結(jié)果顯示，對浮動密封改進(jìn)前，較高應(yīng)力主要集中在花鍵退刀區(qū)及鄰近各段軸上，應(yīng)力值均低于主軸采用材質(zhì)的抗屈服強(qiáng)度；浮動密封改造后計算出的花鍵退刀區(qū)及鄰近各段軸上的最大應(yīng)力值較改造前降低6%，溝槽內(nèi)幾何形狀改變對主軸強(qiáng)度影響不顯著。

在設(shè)計主軸使用壽命5 000 h，轉(zhuǎn)速31 r/min條件下，對密封改進(jìn)后的主軸疲勞模擬分析顯示，疲勞強(qiáng)度以及安全系數(shù)等均在安全值以內(nèi)，滿足生產(chǎn)需要。采用ANSYS對主軸模擬分析，具體結(jié)果見圖7，從圖中看出，一階、二階頻率都僅僅100 Hz條件下掘進(jìn)機(jī)截割頭工作時產(chǎn)生的振動沖擊對主軸影響較小，現(xiàn)實中掘進(jìn)機(jī)截割頭破煤、巖時產(chǎn)生的頻率通常在10 Hz以內(nèi)，破煤、巖時對截割頭振動及沖擊對主軸影響更小。模擬結(jié)果表明，改進(jìn)夠的懸臂段密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，不僅起到提高密封性，而且還增加了密封系統(tǒng)的可靠性。

圖7 主軸模態(tài)模擬結(jié)果

4 結(jié)論

1）密封系統(tǒng)將傳統(tǒng)O型密封改造成Z型，且Z型密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單、加工制作精度要求更低，密封效果顯著，不僅可以有效阻止雜物進(jìn)入到懸臂腔體內(nèi)，而且降低了密封系統(tǒng)維修難度，在礦井井下掘進(jìn)巷道復(fù)雜惡劣的環(huán)境中具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2）采用有限元分析對改造后的懸臂密封系統(tǒng)內(nèi)主軸結(jié)構(gòu)工作性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，改造后主軸受力較原密封系統(tǒng)下主軸受力減少6%，表明改造后的密封系統(tǒng)受力環(huán)境更佳，可以滿足使用安全。