KHYD400型煤矿用岩石电钻主机结构的改进

1技术背景为了满足煤矿探水、探瓦斯作业对探测煤层深度不断提高的要求，公司新研发了一种KHYD400型煤矿用岩石电钻。该钻机能够低速钻进（主轴转速140r/min），大转矩输出（输出转矩1500N·m），钻孔直径100~160mm，最大钻进深度500m。主机采用行星齿轮结构，满足大减速比要求，输出转矩大，结构尺寸小、重量轻，便于煤矿下的搬运，适合钻机的转向和调头操作。2主机结构电动机4通过螺栓和后壳体5连接，电机齿轮7通过键6和电机轴连接。电机齿轮7渐开线花键部分和小双联齿轮10左侧渐开线花键部分安装在齿套8的内花键孔中。大顶头3安装在电机齿轮7的右端孔中，小顶头2安装在主轴19左端的内孔中，小双联齿轮10轴向浮动安装在大顶头3大端端面和小顶头2大端端面之间。大双联齿轮14安装在6205型深沟球轴承15上，小隔垫13、大隔垫16和两个深沟球6205型轴承15安装在支承轴12上，支承轴12的两端安装在行星架17上的孔中，支承轴12轴端通过螺钉、挡盘11与行星架17连接。零件11―16共有3组，均匀安装于行星架17径向120°三等分位置的孔上，小双联齿轮10右侧大端齿部和三个大双联齿轮14（大端齿部）啮合。行星架17左右侧支承均为6218型深沟球轴承9，分别安装在前壳体18和后壳体5中。内齿圈24通过螺栓、螺纹套23和中壳体1连接，三个大双联齿轮14（小端齿部）和内齿圈24啮合。30216型圆锥滚子轴承20安装在前壳体18中，用于支承主轴19。主轴19的左端通过花键和行星架17连接，密封圈21安装在前端盖22中，前端盖22通过螺栓和前壳体18连接。结构如图1所示。

起动钻机，动力由电动机4传递到电机齿轮7，通过齿套8，动力传到小双联齿轮10，小双联齿轮10和大双联齿轮14（大端齿部）啮合，动力传到大双联齿轮14上，大双联齿轮14（小端齿部）和内齿圈24啮合，内齿圈24固定不动，大双联齿轮14作行星运动，带动行星架17旋转，动力传递到行星架17上，主轴19通过花键和行星架17连接，最终动力传递到主轴19上。

图1电钻主机结构1－中壳体2－小顶头3－大顶头4－电动机5－后壳体6－键7－电机齿轮8－齿套9－6218型深沟球轴承10－小双联齿轮11－挡盘12－支承轴13－小隔垫14－大双联齿轮15－6205型深沟球轴承16－大隔垫17－行星架18－前壳体19－主轴20－30216型圆锥滚子轴承21－密封圈22－前端盖23－螺纹套24－内齿圈3用户使用中出现的问题样机在客户处试用3个月后，客户反映使用过程中出现以下问题：钻机在煤矿井下使用中，钻机长时间钻进时，主轴出现抱死的现象。公司维修人员到达现场后，拆开主机后，发现几处异常情况：小双联齿轮10右侧大端齿部多数齿的齿面有挤伤痕迹。小双联齿轮10的左侧小端部渐开线花键磨损明显不均匀，左侧小端靠右侧的渐开线花键部分磨损较为轻，靠左侧的渐开线花键部分磨损重。4原因分析（1）主轴出现抱死的原因小顶头2大端端面到大顶头3大端端面之间的距离尺寸尤为重要。如果该距离尺寸小于小双联齿轮10总长度，小双联齿轮10的浮动间隙为零，双联齿轮10失去其浮动作用，小顶头2大端端面的磨损比一般正常浮动情况下加剧；由于小双联齿轮10不能浮动，钻机长时间使用中，随着齿轮温度升高，会造成小双联齿轮10无法同时和三个大双联齿轮14正常啮合，造成齿轮卡死，出现钻机主轴抱死事故。如果该距离尺寸大于小双联齿轮10总长度过多，严重影响小双联齿轮10的浮动效果，会出现小双联齿轮10轴线倾斜过大，造成小双联齿轮10和三个大双联齿轮14齿轮啮合间隙过于不均匀，造成卡死，导致钻机主轴抱死。

（2）小双联齿轮10右侧小端渐开线花键磨损不均匀原因由于齿套8在轴向没有定位。在使用过程中，存在钻机机身倾斜钻孔的情况。启动钻机前，钻机扳倾斜角度时，齿套8沿着轴线方向滑动，造成小双联齿轮10与齿套8配合处渐开线花键没有全部结合，造成了小双联齿轮10的左侧小端部渐开线花键磨损不均匀。由于试用中，钻机频繁向上仰角钻孔，齿套8沿着轴线向左滑动，造成小双联齿轮10左侧小端靠右侧的渐开线花键磨损较为轻，靠左侧部分的渐开线花键磨损比较重。5改进方法1）小双联齿轮10改为弹性浮动支承结构，在小双联齿轮10的右侧端面依旧采用固定顶头，左侧端面改为带弹簧调节的弹性顶头。如图2所示，将大顶头3插入在弹簧26中，弹簧26安装在电机齿轮7端面孔中，小双联齿轮10的轴向位置可调，靠弹簧26的弹力使得小双联齿轮10的两端面与大顶头3端面、小顶头2端面压紧。钻机使用时，小顶头2的端面虽然在钻机使用中逐渐磨损，但靠弹簧26的弹力使得小双联齿轮10的两端面和顶头保持在浮动接触状态。同时降低了小双联齿轮10、大顶头3、小顶头2三个零件长度的加工精度。在钻机使用中，随主机中齿轮的温度变化，依靠弹簧26的伸缩调节，使得小双联齿轮10的浮动间隙保持在合适的范围，很好地解决了主轴瞬间抱死的问题。

2）在齿套8的中部车削加工一个孔用弹性挡圈槽，在其中安装上孔用弹性挡圈25，起到轴向的限位作用。在钻机机身倾斜钻孔时，由于孔用弹性挡圈25对起到齿套8轴向的限位作用，齿套8不能沿着轴线方向大距离滑动。有效解决了小双联齿轮10右侧小端部渐开线花键磨损不均匀的问题。

图2改进后的电钻主机结构1－中壳体2－小顶头3－大顶头4－电机5－后壳体6－键7－电机齿轮8－齿套9－6218型深沟球轴承10－小双联齿轮11－挡盘12－支承轴13－小隔垫14－大双联齿轮15－6205型深沟球轴承16－大隔垫17－行星架18－前壳体19－主轴20－30216型圆锥滚子轴承21－密封圈22－前端盖23－螺纹套24－内齿圈25－弹性挡圈26－弹簧6使用反馈改进主机结构后的KHYD400型煤矿用岩石电钻，在煤矿下试用12个月，再也没有发生过主轴抱死的情况。客户试用期结束后，公司维修人员到达现场，拆卸钻机后，小双联