冯屯生

（山西潞安集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

掘进机在煤、岩巷道掘进中应用广泛。掘进机截割煤、岩层通过截割机构实现，是整个掘进机的关键组成部件。截割机构的任何故障都会给掘进机正常工作带来影响。悬臂段是掘进机截割机构的关键零部件，由轴承、主轴、端盖及浮动密封等部件组成，主要用于截割机构扭矩传送。浮动密封一般是由O型橡胶密封圈、一对浮动密封环组成，为了确保O型橡胶密封圈与浮动密封环接触密实，主轴上沟槽需要精密加工，而沟槽上几何形状同时也是导致主轴扭断失效的主要原因[1-2]。在掘进机悬臂段的浮动密封沟槽加工精度要求高、结构复杂，加工精度满足不了使用要求时很容易造成主轴出现应力集中，严重时引起扭断疲劳失效。因此，需要针对掘进机悬臂段现采用的浮动密封系统进行优化。

1 掘进机悬臂段及其密封结构组成及作用

1.1 掘进机悬臂段

掘进机悬臂主要由悬臂筒、主轴两部分组成，通过轴承将主轴置于悬臂筒内，具体结构见图1。在主轴一端采用法兰盘与截割头相连，另一端采用花键与减速器相连。减速器通过主轴将扭矩传送给截割头，从而避免截割头与煤、岩石接触过程中产生的冲击、振动直接作用于减速器零部件上，影响减速器运行[3]。在掘进机悬臂整体设计确定的情况下，一般采用1～2组轴承支撑主轴，具有内喷雾功能的截割头还需要在悬臂段上设计配水装置，高压水从A口进入主轴，并经B口排出，实现截割头抑尘降温作用。

图1 掘进机悬臂段结构

图2 传统O型密封结构

1.2 掘进机悬臂段密封

矿井采用的掘进机密封系统多是浮动密封，该密封装置集将浮换、间隙以及梳齿密封为一体，通过油膜张力防止泄露，在石化、冶金以及电力等存在较大冲击载荷的设备中应用较为广泛。采用的密封环经过配对研磨之后与O型密封圈配合使用，具体见图2。O型橡胶圈一面套在密封环上，另一面与零部件上的锥形紧固面贴合，为了确保O型橡胶圈可以紧固地固定于沟槽之内，对加工的沟槽精度及几何形状都有较高要求，具体沟槽加工见下页图3。沟槽内部为3段连续相切的圆弧，同时为了确保沟槽内部倾斜表面与O型橡胶密封圈间摩擦阻力可以满足O型橡胶圈挤压后产生的径向弹性力，应确保在沟槽各个连续相切圆弧段上的粗糙度各不相同。同时为保证O型橡胶密封圈受挤压后能够产生足够径向弹性力，使得O型橡胶密封圈与密封面接触密实[4-5]，这就对两个临近的部件间隙有严苛要求。若密封沟槽的几何尺寸、表面质量、零部件间隙等任一指标不满足设计要求，都会给浮动密封装置使用寿命以及密封效果带来影响。

图3 O型密封结构沟槽示意图（单位：mm）

2 掘进机悬臂段密封存在问题

一般情况下掘进机悬臂密封段采用浮动密封方式，截割头截割煤、岩层中会产生各种粒径的煤、岩粉尘，当产生的粉尘粒径直径小于浮动密封系统相对旋转部件间最小间隙时，小粒径粉尘会与O型橡胶密封圈直接接触，在掘进机截割煤、岩层带来的冲击载荷作用下，小粒径粉尘会嵌入到紧固锥面，在O型橡胶密封圈上形成锲型空间，从而引起浮动密封系统失效。

当密封系统失效后会造成悬臂段内部的润滑油泄漏，悬臂段内的润滑油温度增加，进一步降低O型橡胶密封圈密封效果。若上述问题不能被及时发现，更多的粉尘会进入到悬臂段腔体内，引起轴承轨道磨损程度增加。当掘进机继续工作时，悬臂墙内用以润滑轴承的润滑油温度升高，轴承内外圈可能会出现涨裂，同时O型橡胶密封圈也会在冲击载荷及温度耦合作用下发生断裂。由于悬臂段密封系统失效造成悬臂无法正常工作，进而导致巷道掘进工作停滞。悬臂段采用浮动密封在更换及设备安装过程中对紧固锥面清洁程度、旋转零部件间间隙等要求严格，井下条件往往难以满足浮动密封更换及安装需要[6]。

3 悬臂段密封系统改进方案的设计

3.1 浮动密封的改进

为了降低悬臂内的主轴加工制作难度，提升浮动密封可靠性，将悬臂段浮动密封改造成Z型，具体见图4。该结构由两个对称Z型橡胶密封圈及两个具有堆型截面密封圈组成。将Z型橡胶密封圈下面与密封圈贴合密实，上面与零件沟槽面贴合密实，当具有相对旋转位移的两个零部件间间隙达到设计值后，在Z型橡胶密封圈受挤压产生的弹性力作用下，密封环堆型面完全被密封圈压紧，从而实现密封效果。密封环采用具有较高硬度的铸铁件，同时具备较强的抗腐蚀能力。采用Z型密封方式不需要在零部件上加工几何形状复杂、精度要求高的槽沟，降低零部件加工及安装难度，不仅可以确保浮动密封的使用，而且还具备较强的密封效果。

图4 改进后的Z型密封结构

当存在相对旋转位移的零部件工作时，在密封环间会形成V型缝隙，由于空间内充满润滑油，在离心力以及毛细作用下，润滑油与金属密封件贴附，从而使得密封环接触面得以充分润滑，也可以起到一定的散热作用。同时密封环一侧形状为V型，可以有效提升改进后的浮动密封系统使用年限。采用改进后的密封方式可以在密封面边缘形成一层油膜，在对密封系统进行维护过程中，若存在油膜，则表明浮动密封系统工作状态正常。

改进后的Z型浮动密封相对于传统的O型密封结构更为简单，对零部件加工精度要求低，更能适用煤矿井下掘进工作面复杂掘进环境的需要，是后续矿井掘进机精密元件密封的选型发展方向之一。

3.2 密封系统主轴强度的校核

将悬臂浮动密封由O型改为Z型后，主轴上沟槽形状发生改变。针对主轴在适用环境具体情况，构建三维模型，采用有限元分析方法对改造后的主轴强度进行校核。为了规避在主轴花键退刀槽处出现疲劳损伤，将花键直径在原基础上增加5%～8%，花键齿数也增大，具体见图5。在静连接、齿面热处理以及中等加工精度调价下，主轴花键齿面受到挤压应力模拟结果为21 MPa，较O型浮动密封时挤压应力降低11%，可以满足使用需要。

图5 改进后的主轴尺寸参数（单位：mm）

由于增加了连接花键及轴承间的主轴半径，从而使得主轴抗扭强度增加，同时安装的轴承直径及位置均未发生改变，悬臂段壳体未发生任何变化，轴承受力及对应的使用寿命模拟也显示未出现显著变化。采用Solidworks建立模拟模型，并采用Simulation模块进计算分析，结果见图6。

图6 改进前后的主轴受力（MPa）情况

在模拟中对主轴两端的法兰及花键均进行一定简化，提高模拟效率。主轴材质为42CrMo，工作扭矩为80 kN·m。模拟结果显示，对浮动密封改进前，较高应力主要集中在花键退刀区及邻近各段轴上，应力值均低于主轴采用材质的抗屈服强度；浮动密封改造后计算出的花键退刀区及邻近各段轴上的最大应力值较改造前降低6%，沟槽内几何形状改变对主轴强度影响不显著。

在设计主轴使用寿命5 000 h，转速31 r/min条件下，对密封改进后的主轴疲劳模拟分析显示，疲劳强度以及安全系数等均在安全值以内，满足生产需要。采用ANSYS对主轴模拟分析，具体结果见图7，从图中看出，一阶、二阶频率都仅仅100 Hz条件下掘进机截割头工作时产生的振动冲击对主轴影响较小，现实中掘进机截割头破煤、岩时产生的频率通常在10 Hz以内，破煤、岩时对截割头振动及冲击对主轴影响更小。模拟结果表明，改进够的悬臂段密封系统结构合理，不仅起到提高密封性，而且还增加了密封系统的可靠性。

图7 主轴模态模拟结果

4 结论

1）密封系统将传统O型密封改造成Z型，且Z型密封系统的结构更为简单、加工制作精度要求更低，密封效果显著，不仅可以有效阻止杂物进入到悬臂腔体内，而且降低了密封系统维修难度，在矿井井下掘进巷道复杂恶劣的环境中具有更强的适应性。

2）采用有限元分析对改造后的悬臂密封系统内主轴结构工作性能进行分析，结果表明，改造后主轴受力较原密封系统下主轴受力减少6%，表明改造后的密封系统受力环境更佳，可以满足使用安全。