掘進機懸臂段主軸軸承支撐形式及密封系統(tǒng)的改進設計

安子毅

摘? 要：我國已經(jīng)成為世界上最大的掘進機制造基地和應用市場，掘進機械行業(yè)已經(jīng)成為國內(nèi)高端裝備制造業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點支撐發(fā)展行業(yè)。懸臂段是掘進機連接減速器與截割頭的關(guān)鍵部件，在工作過程中起傳遞扭矩的作用。由于工作條件惡劣，在使用過程中懸臂段仍然存在著多種失效形式。文章首先指出了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)懸臂段存在的典型失效形式，包括主軸斷裂，腔體內(nèi)部進入污物，連接花鍵磨損。然后對懸臂段主軸的部分結(jié)構(gòu)進行改進設計，對比分析懸臂段兩種不同軸承支撐結(jié)構(gòu)的特點，并對軸承安裝形式進行優(yōu)化調(diào)整，以及對浮動密封結(jié)構(gòu)進行改進設計。并利用Solidworks、ANSYS等有限元分析軟件對改進后的懸臂段主軸進行靜力分析和振動特性分析。

關(guān)鍵詞：懸臂段;主軸;軸承支撐形式;浮動密封;有限元

中圖分類號：TD421.51 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0022-05

Abstract： China has become the largest roadheader manufacturing base and application market in the world， and the tunneling machinery industry has become a key supporting industry of domestic high-end equipment manufacturing and strategic emerging industries. The cantilever section is the key component of the roadheader connecting the reducer and the cutting head， which plays the role of transferring torque in the working process. Due to the poor working conditions， there are still many forms of failure in the cantilever section. First of all， this paper points out the typical failure forms of the cantilever section of the traditional structure， including the fracture of the spindle， the dirt inside the cavity and the wear of the connecting splines. Then the part of the spindle structure of the cantilever section is improved， the characteristics of the two different bearing support structures of the cantilever section are compared and analyzed， the installation form of the bearing is optimized and adjusted， and the floating seal structure is improved. The static analysis and vibration characteristic analysis of the improved cantilever spindle are carried out by using Solidworks， ANSYS and other types of finite element analysis software.

Keywords： cantilever section; spindle; bearing support form; floating seal; finite element method

1 概述

近年來，我國掘進機械行業(yè)迎來了飛速的發(fā)展。掘進機目前多用于煤礦的巷道開拓，是為煤礦綜采及高檔普采工作面采準巷道掘進服務的機械設備，其實現(xiàn)破碎煤巖的直接零部件為截割機構(gòu)，主要由截割電機、減速器、懸臂段、截割頭組成。截割部一旦出現(xiàn)故障，將導致掘進機無法工作，延誤工期。而懸臂段是截割部的關(guān)鍵零部件之一，主要起傳遞扭矩的作用。掘進機在工作時，由于截割頭破巖產(chǎn)生的彎扭載荷以及振動載荷共同作用在懸臂段主軸上，且傳統(tǒng)原有懸臂段采用單組軸承支撐結(jié)構(gòu)，經(jīng)常造成連接懸臂段與減速器之間的花鍵損壞以及支撐軸承的失效。原有浮動密封的溝槽結(jié)構(gòu)較為復雜，加工精度達不到要求，經(jīng)常造成水密封系統(tǒng)失效，導致無法達到有效降塵和冷卻截齒的目的。且主軸加工安裝浮動密封的溝槽部分難度較大，加工精度往往達不到要求，很容易造成主軸的疲勞失效，嚴重時引起主軸斷裂。因此，有必要建立三維模型，通過對懸臂段以及關(guān)鍵零部件進行靜力分析和動態(tài)振動特性分析，與改進前的主軸結(jié)構(gòu)進行對比，分析選用兩組軸承支撐結(jié)構(gòu)和新型浮動密封后對主軸的影響。

2 掘進機懸臂段現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問題及設計解決方案

2.1 掘進機懸臂段現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問題

2.1.1 主軸斷裂

掘進機在截割過程中，截割頭突然掉落，現(xiàn)場查看后，懸臂段與由法蘭盤連接的截割頭一起從截割臂上掉落，懸臂段主軸發(fā)生斷裂。

2.1.2 連接花鍵磨損

在更換損壞的懸臂段時，發(fā)現(xiàn)連接懸臂段與減速器的花鍵磨損嚴重，花鍵齒頂已近似為尖棱，如果繼續(xù)使用將會導致剃齒，最終不能傳遞扭矩致使截割頭不能正常工作，從而影響掘進機的生產(chǎn)效率。

2.1.3 懸臂段腔體內(nèi)部進入污物

掘進機在截割過程中，截割頭突然停止轉(zhuǎn)動或懸臂段出現(xiàn)較大的噪音，在停機重啟后，這種現(xiàn)象依然存在。經(jīng)過對懸臂段的拆解后發(fā)現(xiàn)懸臂段內(nèi)腔被污物充滿，浮動密封和軸承均已損壞。

2.2 設計解決方案

（1）針對懸臂段主軸發(fā)生斷裂的問題，提出對原主軸的部分結(jié)構(gòu)進行改進設計，再通過有限元對改進后的主軸進行靜力分析和動態(tài)振動特性分析，確保改進后的主軸在滿足安全系數(shù)的情況下，提高主軸在運行過程的平穩(wěn)性，保證掘進機的正常工作。

（2）針對連接花鍵磨損的問題，改變傳統(tǒng)原有懸臂段單組軸承支撐結(jié)構(gòu)，選用兩組軸承支撐，提高軸承的使用壽命，并使花鍵在受沖擊時能夠均勻承載，改善花鍵的使用環(huán)境，增加使用壽命。

（3）針對掘進機懸臂段腔體內(nèi)部進入污物的問題，原有浮動密封的結(jié)構(gòu)顯然不能滿足設備的工作需求，選用新型浮動密封來克服上述缺點。

3 掘進機懸臂段軸承支撐形式的改進

3.1 掘進機懸臂段單組軸承支撐形式

改進前的掘進機懸臂段采用單組軸承支撐形式，采用這種支撐形式雖然主軸結(jié)構(gòu)較為簡單，但掘進機在實際工作中會受到嚴重的沖擊載荷，致使懸臂段發(fā)生振動。采用單組軸承會使主軸受力不穩(wěn)，在花鍵處發(fā)生位移產(chǎn)生偏載，導致鍵齒工作表面被壓潰，最終不能傳遞扭矩致使截割頭不能旋轉(zhuǎn)。

改進前的掘進機懸臂段單組軸承為32040型單列圓錐滾子軸承，其受力分析如下：

如圖4所示：主軸的右側(cè)受到一個牽引力為F=1.7Ft，其中截割力Ft=，T=9550000×，根據(jù)設計要求，規(guī)定掘進機的輸入功率為260kw，轉(zhuǎn)速為31r/min，截割頭平均半徑450mm，代入以上公式，計算出牽引力F=302.59kN，主軸的左側(cè)受到一個支座反力F0，根據(jù)材料力學的平衡方程，計算出支座反力F0=F=302.59kN。

對所選用的軸承按照基本額定動載荷公式計算分析軸承的使用壽命：

查閱《機械設計手冊》第二卷，可知軸承基本額定動載荷公式為C=P

其中軸承的徑向基本額定動載荷Cr根據(jù)所選用的單列圓錐滾子軸承，查閱《機械設計手冊》第二卷，可知Cr=782kN。

當量動載荷P按照《機械設計手冊》第二卷，可知當量動載荷P的一般計算公式為：P=XFr+YFa。而圓錐滾子軸承的徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y查閱《機械設計》第九版可知X=1，Y=0。代入數(shù)據(jù)可得當量動載荷P=302.5kN。

軸承的速度因數(shù)fn，fd，fT查閱《機械設計手冊》第二卷，可知其值分別為1.022，1.1，1.0。

軸承的力矩載荷因數(shù)fm，因為掘進機工作時力矩載荷較小，故選用的力矩載荷因數(shù)fm=1.5。

根據(jù)軸承基本額定動載荷公式，可得軸承的壽命系數(shù)fh=，將上述所選值代入此公式，由于掘進機懸臂段選用的是兩個對稱的單列圓錐滾子軸承，故溫度因數(shù)fT取1.5，其余因數(shù)不變，代入公式可得fh=1.60，而軸承的預期使用壽命為5000h，對應的壽命因數(shù)值為2.00。fh=1.60<2.00。故所選軸承的使用壽命距離預期使用壽命有一定差距，建議使用兩組軸承支撐形式代替原有的單組軸承支撐形式。

3.2 掘進機懸臂段兩組軸承支撐形式

本次設計選用兩組軸承支撐形式替換原有的單組軸承，其中第一列軸承查閱《機械設計手冊》第二卷，選用軸承代號為24048CC/W33圓柱調(diào)心滾子軸承，第二列選用軸承代號為352052×2的雙列圓錐滾子軸承，掘進機懸臂段兩組軸承的使用極大提高了主軸在運行中的平穩(wěn)性能，使花鍵在受沖擊時能夠均勻承載，不易發(fā)生壓潰現(xiàn)象，延長花鍵的使用壽命。

下面對懸臂段兩組軸承進行受力分析，如圖5所示：

如圖5所示：主軸的右側(cè)受到一個牽引力為F=302.59kN，一個逆時針旋轉(zhuǎn)的扭矩T=80096.77N·mm，左、右兩個軸承分別受到的徑向力為F1，F(xiàn)2。根據(jù)材料力學力的平衡方程，算出F1=440.83kN，F(xiàn)2=-743.42kN，正負表示受力方向。

對所選用的兩列軸承按照基本額定動載荷公式分別計算軸承的使用壽命。

第一列：軸承代號為24048CC/W33圓柱調(diào)心滾子軸承

查閱《機械設計手冊》第二卷，可知軸承基本額定動載荷公式為C=P

其中軸承的徑向基本額定動載荷Cr根據(jù)所選用的圓柱調(diào)心滾子軸承，查閱《機械設計手冊》第二卷，可知Cr1=1400kN。

根據(jù)SKF軸承的樣本數(shù)據(jù)計算公式可知：調(diào)心滾子軸承的當量動載荷為P1=Fr+YFa，其中軸承所受的徑向載荷Fr=440.83kN，不受軸向載荷Fa的作用，故軸承的當量動載荷為P1=Fr=440.83kN。

軸承的速度因數(shù)fn，fd，fT查閱《機械設計手冊》第二卷，可知其值分別為1.022，1.1，1.0。

軸承的力矩載荷因數(shù)fm，因為掘進機工作時力矩載荷較小，故選用的力矩載荷因數(shù)fm=1.5。

根據(jù)軸承基本額定動載荷公式，可得軸承的壽命系數(shù)fh1=，將上述所選值代入此公式，可得fh1=1.97，而軸承的預期使用壽命為5000h，對應的壽命因數(shù)值為2.00。fh1=1.97≈2.00。所選軸承的使用壽命基本符合要求。

第二列：軸承代號為352052×2的雙列圓錐滾子軸承

其中軸承的徑向基本額定動載荷Cr根據(jù)所選用的雙列圓錐滾子軸承，查閱《機械設計手冊》第二卷，可知Cr2=1570kN。

當量動載荷P2按照《機械設計手冊》第二卷，可知當量動載荷P2的一般計算公式為：P2=XFr+YFa。而圓錐滾子軸承的徑向動載荷系數(shù)X和軸向動載荷系數(shù)Y查閱《機械設計》第九版可知X=1，Y=0。代入數(shù)據(jù)可得當量動載荷P2=743.42kN。

其余參數(shù)的選擇與第一列軸承選用完全相同，具體內(nèi)容可參見第一列軸承參數(shù)選擇。

根據(jù)軸承基本額定動載荷公式，可得軸承的壽命系數(shù)fh2=，將上述所選值代入此公式，可得fh2=2.158，而軸承的預期使用壽命為5000h，對應的壽命因數(shù)值為2.00。fh2=2.16>2.00。故所選軸承的使用壽命符合要求。

選用兩組軸承的軸承壽命比單組軸承提高了（1.97-1.60）/1.60=23.1%，故選用兩組軸承的支撐形式更好。

3.3 對比兩組軸承支撐形式下花鍵所受的擠壓應力

由于花鍵連接的類型和尺寸通常需要根據(jù)被連接鍵的結(jié)構(gòu)和特點、使用要求和工作條件來選擇，為避免靜連接花鍵鍵齒表面發(fā)生壓潰，現(xiàn)對其強度進行校核計算。查閱《機械設計手冊》第二卷，計算公式為？滓P=。其中？漬為各齒間載荷不均勻系數(shù)，其余參數(shù)根據(jù)選用花鍵的實際情況得出。

單組軸承支撐形式下？漬取0.7，兩組軸承支撐形式下？漬取0.8，其余參數(shù)不變，代入公式后得出單組軸承花鍵所受的擠壓應力為31.7845Mpa，兩組軸承花鍵所受的擠壓應力為27.8115Mpa。而花鍵的許用應力？滓PP為120Mpa，雖然兩種形式下花鍵所受的擠壓應力均小于許用擠壓應力，但采用兩組軸承支撐形式下的花鍵所受的擠壓應力降低了12.5%，使鍵齒工作表面不易被壓潰，從而極大提高了花鍵的使用壽命。

4 掘進機懸臂段傳統(tǒng)O型浮動密封的改進使用

4.1 選用新型Z型浮動密封的工作原理

為了最大限度地保證掘進機工作不間斷進行，并使其具有更長的使用壽命，必須對掘進機的傳動裝置和驅(qū)動裝置等關(guān)鍵部位進行重點防護，為了實現(xiàn)這一目標，必須進一步提高浮動密封的性能，所以本次設計選用新型Z型浮動密封替代傳統(tǒng)O型浮動密封。

新型浮動密封的工作原理是密封環(huán)由精細加工成形的合成橡膠部件提供預載力。因此，密封面之間的縫隙被軸向施加的載荷所封閉，起到密封的作用。密封面之間只有沿圓周方向的相對運動。浮動密封內(nèi)部的橡膠圈以多種方式產(chǎn)生作用，主要有在金屬密封面上施加軸向負載，在溝槽組件和密封環(huán)之間傳遞摩擦扭矩，為每個密封環(huán)和溝槽之間提供靜密封。而金屬環(huán)密封面是通過鏡面技術(shù)精細研磨的，金屬環(huán)被設計成從密封面處向中心軸打開，形成“V”形縫，這種設計具有如下好處：（1）潤滑劑通過毛細作用和離心力，可以很方便的注入密封面中。（2）保證了足夠的潤滑和冷卻，并防止了密封面的冷焊。（3）隨著磨損增加，密封面持續(xù)向中心軸方向變寬。因此，該密封有著相當大的磨損儲備。（4）這種密封系統(tǒng)可在密封面外緣形成一層肉眼可見的薄油膜，這層油膜的存在表明密封系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)中。

此Z型浮動密封設計使用油潤滑，而不采用脂潤滑。因為潤滑油可以在運行時將密封區(qū)域產(chǎn)生的熱量傳遞開，而潤滑脂無法創(chuàng)造水力潤滑條件，將會使浮動密封磨損加快，生命周期縮短。采用潤滑脂潤滑只適用于滑動速度較低的情況下，所以選用油潤滑。經(jīng)常檢查潤滑油，可以在機器發(fā)生故障之前發(fā)現(xiàn)一些問題：水晶狀的油表示可能有水，乳狀或泡沫狀的油表示有空氣，黑色的油意味著可能已經(jīng)開始氧化或出現(xiàn)污染。

4.2 選用新型Z型浮動密封的結(jié)構(gòu)設計

Z型浮動密封結(jié)構(gòu)采用梯形圈設計，這種設計由兩個對稱的類錐形截面的密封環(huán)和兩個梯形圈組成，梯形圈的側(cè)面經(jīng)過了打磨。安裝時，梯形圈被壓縮在密封環(huán)和溝槽之間，壓縮空間外窄內(nèi)寬，呈漸縮式。在安裝過程中禁止使用任何油或脂對梯形圈進行潤滑，保證梯形圈與溝槽的潔凈程度（如圖6，7）。

通過對比Z型浮動密封和傳統(tǒng)O型浮動密封的結(jié)構(gòu)，Z型浮動密封溝槽比原有結(jié)構(gòu)密封性能更好，并且降低溝槽的加工難度，提高溝槽的加工精度，有效的解決懸臂段腔體內(nèi)部進入污物的問題，保證掘進機工作的正常進行。

5 改進后的掘進機懸臂段主軸有限元分析

5.1 用Solidworks軟件對主軸進行靜力分析

對主軸花鍵所在的軸和兩組軸承進行約束，對法蘭盤施加遠程載荷，如圖8所示：

改進后的主軸在約束條件下的應力分析如圖9所示：

根據(jù)圖9可以看出，應力集中分布在各段軸之間的連接處，且最大屈服強度為？滓max=490.242MPa，而許用屈服強度為？滓=620.422MPa。因為？滓max<？滓，所以主軸不會發(fā)生斷裂。

改進后的主軸在約束條件下的疲勞分析如圖10所示：

在設計主軸的使用壽命為5000小時，轉(zhuǎn)速為31r/min的條件下，由圖10可以看出，疲勞強度在安全系數(shù)范圍之內(nèi)，符合設計要求。

5.2 用ANSYS軟件對主軸進行模態(tài)分析

所采用的約束條件仍為對主軸花鍵所在的軸和兩組軸承進行約束，對法蘭盤施加遠程載菏。

用ANSYS軟件對主軸進行模態(tài)分析如圖所示11所示。

根據(jù)圖11進行分析，一階、二階、三階的模態(tài)頻率都接近于1000Hz，說明主軸自身固有屬性頻率在1000Hz左右，而掘進機截割頭工作時所產(chǎn)生的頻率是10Hz左右，說明截割頭工作時所產(chǎn)生的振動對主軸本身的影響非常小，可以忽略，從而證明主軸的設計合理。

6 結(jié)論與展望

本文完成了掘進機懸臂段主軸軸承支撐形式及密封系統(tǒng)的改進設計，并對改進后的主軸進行有限元分析，改進設計結(jié)果完全符合要求。

通過對懸臂段主軸結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，與原主軸相比，在承受應力與疲勞強度基本不變的情況下，雖然在一定程度上增加了主軸的加工難度，但極大提高了主軸在工作中的穩(wěn)定性，避免了主軸的斷裂。通過主軸支撐結(jié)構(gòu)的改進，使軸承壽命提高了23.1%，花鍵擠壓強度降低了12.5%，避免花鍵鍵齒表面發(fā)生壓潰，有效延長花鍵的使用壽命。

通過選用新型浮動密封，與原有結(jié)構(gòu)進行對比，對主軸削弱沒有影響的情況下，溝槽結(jié)構(gòu)更為簡單，提高了浮動密封溝槽的加工精度，有效阻止了腔體內(nèi)部進入污物。

本文對懸臂式掘進機懸臂段的研究主要集中在主軸的靜力分析和模態(tài)分析，驗證其各項系數(shù)是否在安全范圍之內(nèi)。由于主軸在工作中還存在發(fā)熱，散熱等問題，在今后的研究中，可以對其熱態(tài)特性進行分析。

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