采煤機(jī)搖臂齒輪傳動系統(tǒng)攪油損失分析

薄翔宇

（同煤集團(tuán)四老溝礦，山西大同 737001）

0 引言

在進(jìn)行煤炭開采作業(yè)時，采煤機(jī)作為必不可少的儀器設(shè)備，是決定采煤生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。采煤機(jī)發(fā)揮功能的核心是截割傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)對電力的消耗量巨大，幾乎占據(jù)了設(shè)備做功的4/5。齒輪部件損耗功率的種類主要是3類，軸承損耗、攪油損耗、嚙合損耗。在這3種類型中，攪油損耗量要符合潤滑油系統(tǒng)要求。以上3種功率損耗最終都轉(zhuǎn)化成了熱能，使得潤滑油系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)的所持溫度急劇增加，導(dǎo)致潤滑效果變差，齒輪和軸承連接處損傷，進(jìn)而降低了采煤機(jī)的所有性能。因此，本文分析了采煤機(jī)搖臂齒輪傳動系統(tǒng)攪油損失，提出了計(jì)算單級齒輪攪油損失的兩種方法，并進(jìn)行核算，兩種方法計(jì)算出的結(jié)果差異較小。

1 搖臂齒輪傳動結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

采煤機(jī)運(yùn)行功率是1 200 kW，主要系統(tǒng)是搖臂齒輪傳動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜，如圖1所示。系統(tǒng)中的截割搖臂是利用鉸接的形式和鏈接架以及牽引部外殼接觸連接起來。同時，在與鏈接架接觸部位加入高壓油，使得搖臂出現(xiàn)升降和搖擺，其中擺動的幅度在0°～55°。這種動作機(jī)制是：截割傳動系統(tǒng)存在的直齒輪部件，能夠?qū)崿F(xiàn)降低速度以及傳動作用，然后截割電機(jī)產(chǎn)生的的動能傳輸?shù)叫行菧p速系統(tǒng)中，動能在減速系統(tǒng)的作用下縮減，利用行星架部件傳送到截割滾筒內(nèi)，從而推動滾筒進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了煤礦的開采速率。另一方面，截割電機(jī)設(shè)備的安置部位在搖臂根部，動能傳送的距離太遠(yuǎn)，因此這條動能傳輸路線應(yīng)用了多層次的長鏈齒輪以及行星減速傳動系統(tǒng)，從而改善了傳動系統(tǒng)的傳輸性能[1]。

圖1 采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)組成圖

2 齒輪功率損耗與潤滑油池

采煤機(jī)中的截割傳動系統(tǒng)把攪油過程中損耗的能量都轉(zhuǎn)化成了熱能，而且很大一部分熱能都被潤滑油利用了，所以攪油損耗的能量越多，潤滑油所持的溫度值就越大。另外，潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行需要油池來進(jìn)行潤滑，并且將轉(zhuǎn)化成的熱能進(jìn)一步應(yīng)用。

在搖臂結(jié)構(gòu)和行星傳動體系的空隙內(nèi)添加油封，潤滑油池便被分開，變成了兩個相對獨(dú)立的油池。所以，搖臂滾筒在持續(xù)升降時，搖臂體和行星傳動系統(tǒng)兩個油池中都依然含有相同的潤滑油液，這就實(shí)現(xiàn)了齒輪和軸承之間的潤滑效果。

3 單級齒輪攪油損耗的核算

齒輪在攪油過程中損耗的性能包括多個參數(shù)，潤滑油因數(shù)fg便是相對特殊的參數(shù)，其大小和齒輪件作業(yè)時浸油的高度有關(guān)聯(lián)。

齒輪件作業(yè)時，潤滑油不足，即fg=0；齒輪件全部浸入油中，即fg=1；齒輪件部分浸入油中，fg在0～1之間。根據(jù)線性插值來分析，若齒輪只有半數(shù)在油中，即fg=1/2。

參照標(biāo)準(zhǔn)要求能夠發(fā)現(xiàn)齒輪件攪油過程損耗的相關(guān)計(jì)算，本文依照采煤機(jī)截割傳動系統(tǒng)來統(tǒng)計(jì)[2]。

3.1 計(jì)算方法一

按照標(biāo)準(zhǔn)來分析齒輪件的性能，計(jì)算齒輪攪油損耗的方式有3種，外部光滑的零件、側(cè)面光滑的零件、外表面有齒的零件[3]。

外徑光滑的零件：

側(cè)面光滑的零件：

表面有齒的零件：g

粗糙度因數(shù)Rf：

式中：Pci為單齒輪件功率損失值，kW；D為齒輪件處在潤滑油里面的直徑大小，mm；Ag為齒輪列數(shù)，數(shù)值為1/5；b為齒寬度，mm；L為齒輪件在潤滑油里面的長度大小，mm；V0為潤滑油的黏性，cSt。

按照式（1）～（4）來計(jì)算減速器中每個部件的功率損失，再將功率損失加起來就是總功率損耗[4]。

3.2 計(jì)算方法二

按照標(biāo)準(zhǔn)里面出現(xiàn)的齒輪空載功率損失的相關(guān)核算公式，得出各個級別空載功率損耗值全部合起來就等于系統(tǒng)的總功率損耗值：

式中：THi為第i級齒輪的液體壓強(qiáng)損失轉(zhuǎn)矩值；ni為第i級齒輪的轉(zhuǎn)動速度；m為齒輪系統(tǒng)降低速度的系數(shù)。

計(jì)算單級齒輪總液體壓強(qiáng)損失轉(zhuǎn)矩值如下：

式中：Cap和C1、C2這3個系數(shù)的值都與齒輪齒寬以及浸油高度相關(guān)，如圖2所示。

式中：lh為中間變量大小，指的是齒輪減速設(shè)備露在空氣中的表面積和齒輪減速設(shè)備的箱體內(nèi)壁周長之間約1/4的比；hao=10 mm，bo=10 mm，vto=10 m/s，為參照數(shù)值，AG為齒輪減速設(shè)備露在空氣中的體積，m2；UM為齒輪減速箱體的里壁周長，m。

圖2 齒輪箱減速器潤滑情況圖

3.3 歸納分析

利用相關(guān)軟件計(jì)算得出，首級小齒輪在油所處高度是80 mm左右時[5]，這兩種方式呈現(xiàn)的采煤機(jī)截割齒輪攪油損耗數(shù)值。如圖3所示。從圖可知，兩種不同方式得到的齒輪攪油損失變化形式基本一致。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度逐漸增大的過程中，攪油損耗值也伴隨著呈拋物線形式增大：當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度偏小時，攪油損耗值增加趨勢小；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度高于600 r/min時，攪油損耗值快速增大。根據(jù)兩種方法的趨勢圖，這兩種方式都能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割齒輪攪油損耗值得的要求。

圖3 兩種計(jì)算方法下齒輪攪油損失與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

4 截割搖臂傳動系統(tǒng)攪油損失的計(jì)算

當(dāng)截割部齒輪的傳動系統(tǒng)開始運(yùn)行時，搖臂擺角幅度的增大會引起每一級別齒輪浸在油里高度的變化，緊挨著電機(jī)的齒輪隨著高度增大而增大，距離較遠(yuǎn)的電機(jī)的齒輪隨著高度增大而減小，如果潤滑油液的量過低也會導(dǎo)致脫油，進(jìn)而開始沒有油的碰觸。平行級齒輪和行星傳動齒輪兩者的油池相互獨(dú)立，行星傳動的油池量在搖臂擺角發(fā)生變化的同時也相應(yīng)的有了一定的幅度變化，所以，歸納總結(jié)平行級齒輪所處油中的高度以及搖臂擺角大小非常重要[6]。

搖臂擺角幅度的差異會干擾到齒輪件的浸油高度。若潤滑油液面高度不變，體積也不發(fā)生變化，在搖臂位置保持水平時，潤滑油液的高度如圖4所示，首級減速設(shè)備小齒輪所處的浸油高度便是初始浸油高度，即h的大小和潤滑油液的含量以及搖臂殼體構(gòu)成相關(guān)。根據(jù)初始浸油高度的不同，按照潤滑油液面形成的狀態(tài)，可以將潤滑油的液面形態(tài)區(qū)分成4種，即圖中液面2～5所示。在分析歸納后發(fā)現(xiàn)，截割部傳動系統(tǒng)的齒輪件會根據(jù)浸油高度的不同以及和搖臂擺角幅度的不同，反應(yīng)出在潤滑油中浸油高度的差異。在浸油高度大于435 mm時，都滿足搖臂擺角的合理范圍，整個齒輪件也都能完全浸在潤滑油內(nèi)[7]。

圖4 不同搖臂擺角下的潤滑油液面

按照單級齒輪攪油損耗值的大小，舉例，當(dāng)初始浸油高度是為50 mm和100 mm時，計(jì)算得到搖臂擺角幅度是 0°～50°，實(shí)際的差異變化如圖5所示，表示在兩種不同浸油高度的影響下，搖臂擺角幅度的不斷增加，導(dǎo)致攪油損耗值也增加。在搖臂擺角幅度滿足0°～30°時，攪油損耗值最大，在搖臂擺角幅度比30°大時，攪油損耗值就增加的少，甚至是不變。在初始浸油高度持續(xù)加大時，攪油損耗值也會隨之提高。所以，潤滑油的量應(yīng)該按照要求來提供，不能過多，也不能過少，不然攪油功率的損耗就太大了[8]。

5 結(jié)束語

截割部齒輪的傳動體系離不開搖臂體和行星傳動油池遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)核算出的這兩個齒輪攪油損耗值之間的差異較小，都滿足該系統(tǒng)的攪油損耗的要求。

圖5 不同浸油深度下攪油損失與搖臂擺角的關(guān)系