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            礦用大功率行星齒輪減速器關鍵技術設計研究

            2023-11-08

            分析了煤礦井下工作面刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器工作空間小、散熱差的特殊工況環境和配套條件,從高速級參數確定和軸承選型、低速級參數確定、運行狀態分析關鍵技術三方面,分析研究刮板輸送機用 3 000 kW 行星齒輪減速器設計的主要技術難題,針對其主要設計技術難題總結了設計關鍵技術,為其設計提供依據。

            近 20 a 來國內煤礦井下工作面用刮板輸送機技術快速發展,設備運輸能力得到很大的提高,從 2000 年的輸送能力 500 萬 t/a 提高到現在的 2 000 萬 t/a, 刮板輸送機單機功率從 525 kW 增大到 3 000 kW,由減速器功率的增大、安裝空間的限制、減速器參數要求以及可靠性的要求等造成其設計難度增大,需要解決減速器高速軸軸承承載能力和轉速不足、低速級行星傳動部件強度不足、井下封閉空間緊湊型減速器散熱困難等技術難題。 


            隨著近年來礦山智能化開采技術的不斷發展,刮板輸送機智能控制技術得到快速發展,減速器做為刮板輸送機的核心傳動部件,運行狀態的數字化和故障預判以及故障分析等技術水平直接影響了刮板輸送機的智能化。


            刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器工況條件分析

            目前刮板輸送機配套的減速器功率已達到 3 000 kW,而刮板輸送機槽寬只有 1 400 mm,與配套 1 600 kW 減速器的刮板輸送機槽寬一樣,配置鏈條只從原來的 φ52 mm 增加到 φ60 mm。為保證機頭、機尾處采煤機截煤的臥底量,機頭、機尾中心高增高不足 100 mm,3 000 kW 減速器的高度相對 1 600 kW 增加只有 100 mm 左右,減速器安裝空間非常小,要求結構非常緊湊,散熱困難,主要通過內置冷卻水循環冷卻。刮板輸送機在工作過程中裝煤位置隨著與其配套的采煤機位置變化而變化,無論從機尾到機頭哪個位置裝煤都需運至機頭卸煤,因此刮板輸送機上裝煤量在實時變化,減速器傳遞的扭矩也在實時變化;同時刮板輸送機在運行過程中經常出現刮板鏈刮卡和壓溜等現象,導致減速器傳遞的扭矩變化較大,減速器的工作溫度、軸承振動等運行參數都在實時變化。

            減速器輸入軸額定工作轉速 1 500 r/min,功率達到 2 000 kW 時,輸入軸無論采用哪種軸承支撐結構,軸承內徑都已達到 φ200 mm 以上,軸承工作轉速已經接近極限轉速。在設計 3 000 kW 減速器時,按已有的設計方法,軸承選更大規格,承載能力可以滿足而轉速達不到,軸承規格不增大,轉速滿足要求而承載能力不足,因此已有的設計方法已經不再適用。 


            設計 3 000 kW 行星齒輪減速器確定各級參數時,首先應解決輸入軸軸承承載能力和轉速之間的矛盾。 


            (2)3 000 kW 行星齒輪減速器低速級主參數確定

            刮板輸送機在井下工作面的工作環境決定了大功率減速器結構設計、運行數據實時監測及分析的難度非常大。刮板輸送機機頭結構件如圖 1 所示。

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            刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器設計主要難題

            (1)3 000 kW 行星齒輪減速器高速級參數確定和軸承選型


            重型刮板輸送機驅動形式、運行速度、刮板鏈規格以及與井下工作面液壓支架配套等決定了其配套的減速器以三級圓錐圓柱行星齒輪減速器為主。按傳統的設計結構,減速器第 1 級傳動比 i=2.3~3.5,輸入軸支撐采用雙列圓錐滾子軸承和調心軸承的結構,雙列調心軸承安裝在錐齒輪端承受錐齒輪副傳遞扭矩產生的主要徑向力,雙列圓錐滾子軸承在輸入軸輸入端,同時承受錐齒輪副傳遞扭矩產生的軸向反力和徑向反力。另一種是采用 2 個圓柱軸承和 1 個球軸承的支撐形式,2 個圓柱軸承受錐齒輪副傳遞扭矩產生的徑向力,球軸承承受錐齒輪副傳遞扭矩產生的軸向反力,如圖 2 所示。

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            煤礦井下工作面空間的限制決定了采煤機、液壓支架和刮板輸送機之間的配套尺寸,刮板輸送機機頭、機尾中心高決定了減速器的高度尺寸,刮板輸送機配套的 3 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度不大于 1 400 mm,而對應的 2 000 kW 圓錐圓柱行星齒輪減速器的高度達到 1 300 mm。低速級行星傳動部件中內齒輪外圓決定減速器的高度。行星傳動組件不僅要考慮齒輪的接觸和彎曲強度達到使用要求,同時根據已有的設計經驗還要滿足以下幾方面的要求:①行星輪內裝軸承的承載能力滿足使用要求;②太陽輪齒數和內齒輪齒數之和是行星輪齒數的整數倍;③太陽輪齒數不小于 15;④太陽輪的扭轉應力不大于 70 MPa;⑤減速器的輸入轉速與配對使用的兩級行星齒輪減速器的輸入轉速轉差小于3 r/min,因此減速器低速級行星傳動主參數的確定是減速器設計的核心難題。 

            (3)3 000 kW 行星齒輪減速器運行狀態分析關鍵技術 


            3 000 kW 減速器配套的刮板輸送機能力達到 1 500 萬 t/a 以上,應用在千萬噸級以上智能化開采的大型高產高效礦井,對減速器的可靠性要求非常高,減速器要基本實現數字化,減速器的健康管理系統實時對減速器的運行狀態進行預判,其關鍵功能是根據運行參數的變化情況對減速器可能出現的故障提前進行預判和數據上傳,通過及時控制、調整刮板輸送機運行狀態對減速器進行保護,避免故障發生。因此提取減速器哪些運行數據、如何準確預判故障是減速器健康管理系統的核心技術。

            刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器設計關鍵技術

            通過分析 3 000 kW 行星齒輪減速器設計主要難題,其設計的關鍵技術是各級傳動比的分配、低速級設計和運行狀態分析。 


            (1)3 000 kW 行星齒輪減速器傳動比分配


            刮板輸送機特殊的驅動部驅動形式決定了其三級圓錐圓柱行星齒輪減速器各級速比分配必須要考慮與其配對使用的兩級行星齒輪減速器速比,輸入轉速轉差小于 1 r/min,2 種減速器低速結構完全相同,也就是三級傳動減速器的前 2 級速比與兩級傳動減速器的高速級速比相同。 


            減速器輸入軸軸承軸向和徑向支撐力盡可能地小,輸入軸軸承支撐力除了與其軸承布置結構有關外,根據錐齒輪副受力計算公式可知還與錐齒輪中點螺旋角和錐角相關。 


            刮板輸送機用 1 600 kW 以上減速器輸入軸采用 2 個圓柱軸承承受徑向力和 1 個四點接觸球軸承承受軸向力,結構布置對支撐力的影響較小。根據錐齒輪副受力計算公式,錐齒輪中點螺旋角和錐角對輸入軸軸承支撐力影響非常大,從計算公式可以看出,錐角越小,輸入軸軸向力越小,但徑向力有一定的增加,因此要根據輸入軸軸徑和軸承轉速以及各軸承承載能力計算出錐齒輪副的速比范圍。 

            根據刮板輸送機機頭、機尾配套要求確定 3 000 kW減速器低速級內齒輪外徑,初步估算動力部重量和輸出扭矩等確定內齒輪壁厚,從而確定內齒輪分度圓直徑范圍,進一步確定行星傳動齒輪副傳動比和行星輪的傳動結構等。 


            只有確定了三級減速器的錐齒輪副和低速級行星齒輪副速比后才能進一步確定三級傳動減速器的第 2 級速比與兩級行星傳動減速器的高速級速比。這個計算過程需反復進行才能最終確定減速器的各級速比和齒輪參數。 


            (2)3 000 kW 行星齒輪減速器運行狀態分析 


            減速器運行狀態分析主要基礎是減速器可能發生的各種故障,減速器故障從已使用減速器外部信息反饋中分析總結,進一步分析減速器各種故障與減速器各運行參數的相關性,確定減速器運行參數 采集點和采集方法,建立各系列減速器運行數據曲線,并通過大數據進行優化,獲得各系列減速器數據正常運行的區間。數據采集點采集還要考慮刮板輸送機智能控制所需要的數據,為配套刮板輸送機智能控制提供數據支撐。同時通過經驗值和大數據互為補充的模式進行分析這一思路開展減速器運行狀態分析系統的研究。 


            3 000 kW 行星齒輪減速器三維圖如圖 3 所示。

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            分析了煤礦井下工作面刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器工作空間小、散熱差的特殊工況環境和配套條件,從高速級參數確定和軸承選型、低速級主參數確定、運行狀態分析關鍵技術三方面分析研究刮板輸送機用 3 000 kW 行星齒輪減速器設計的主要技術難題,針對其主要設計技術難題總結了設計關鍵技術,為其設計提供了依據。


            刮板輸送機用大功率行星齒輪減速器工況條件分析



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