近 20 a 来国内煤矿井下工作面用刮板输送机技术快速发展，设备运输能力得到很大的提高，从 2000 年的输送能力 500 万 t/a 提高到现在的 2 000 万 t/a， 刮板输送机单机功率从 525 kW 增大到 3 000 kW，由减速器功率的增大、安装空间的限制、减速器参数要求以及可靠性的要求等造成其设计难度增大，需要解决减速器高速轴轴承承载能力和转速不足、低速级行星传动部件强度不足、井下封闭空间紧凑型减速器散热困难等技术难题。
随着近年来矿山智能化开采技术的不断发展，刮板输送机智能控制技术得到快速发展，减速器做为刮板输送机的核心传动部件，运行状态的数字化和故障预判以及故障分析等技术水平直接影响了刮板输送机的智能化。
一、刮板输送机用大功率行星齿轮减速器工况条件分析
目前刮板输送机配套的减速器功率已达到 3 000 kW，而刮板输送机槽宽只有 1 400 mm，与配套 1 600 kW 减速器的刮板输送机槽宽一样，配置链条只从原来的 φ52 mm 增加到 φ60 mm。为保证机头、机尾处采煤机截煤的卧底量，机头、机尾中心高增高不足 100 mm，3 000 kW 减速器的高度相对 1 600 kW 增加只有 100 mm 左右，减速器安装空间非常小，要求结构非常紧凑，散热困难，主要通过内置冷却水循环冷却。刮板输送机在工作过程中装煤位置随着与其配套的采煤机位置变化而变化，无论从机尾到机头哪个位置装煤都需运至机头卸煤，因此刮板输送机上装煤量在实时变化，减速器传递的扭矩也在实时变化;同时刮板输送机在运行过程中经常出现刮板链刮卡和压溜等现象，导致减速器传递的扭矩变化较大，减速器的工作温度、轴承振动等运行参数都在实时变化。
刮板输送机在井下工作面的工作环境决定了大功率减速器结构设计、运行数据实时监测及分析的难度非常大。刮板输送机机头结构件如图 1 所示。
二、刮板输送机用大功率行星齿轮减速器设计主要难题
(1)3 000 kW 行星齿轮减速器高速级参数确定和轴承选型
重型刮板输送机驱动形式、运行速度、刮板链规格以及与井下工作面液压支架配套等决定了其配套的减速器以三级圆锥圆柱行星齿轮减速器为主。按传统的设计结构，减速器第 1 级传动比 i=2.3～3.5，输入轴支撑采用双列圆锥滚子轴承和调心轴承的结构，双列调心轴承安装在锥齿轮端承受锥齿轮副传递扭矩产生的主要径向力，双列圆锥滚子轴承在输入轴输入端，同时承受锥齿轮副传递扭矩产生的轴向反力和径向反力。另一种是采用 2 个圆柱轴承和 1 个球轴承的支撑形式，2 个圆柱轴承受锥齿轮副传递扭矩产生的径向力，球轴承承受锥齿轮副传递扭矩产生的轴向反力，如图 2 所示。
减速器输入轴额定工作转速 1 500 r/min，功率达到 2 000 kW 时，输入轴无论采用哪种轴承支撑结构，轴承内径都已达到 φ200 mm 以上，轴承工作转速已经接近极限转速。在设计 3 000 kW 减速器时，按已有的设计方法，轴承选更大规格，承载能力可以满足而转速达不到，轴承规格不增大，转速满足要求而承载能力不足，因此已有的设计方法已经不再适用。
设计 3 000 kW 行星齿轮减速器确定各级参数时，首先应解决输入轴轴承承载能力和转速之间的矛盾。
(2)3 000 kW 行星齿轮减速器低速级主参数确定
煤矿井下工作面空间的限制决定了采煤机、液压支架和刮板输送机之间的配套尺寸，刮板输送机机头、机尾中心高决定了减速器的高度尺寸，刮板输送机配套的 3 000 kW 圆锥圆柱行星齿轮减速器的高度不大于 1 400 mm，而对应的 2 000 kW 圆锥圆柱行星齿轮减速器的高度达到 1 300 mm。低速级行星传动部件中内齿轮外圆决定减速器的高度。行星传动组件不仅要考虑齿轮的接触和弯曲强度达到使用要求，同时根据已有的设计经验还要满足以下几方面的要求：①行星轮内装轴承的承载能力满足使用要求;②太阳轮齿数和内齿轮齿数之和是行星轮齿数的整数倍;③太阳轮齿数不小于 15;④太阳轮的扭转应力不大于 70 MPa;⑤减速器的输入转速与配对使用的两级行星齿轮减速器的输入转速转差小于3 r/min，因此减速器低速级行星传动主参数的确定是减速器设计的核心难题。
(3)3 000 kW 行星齿轮减速器运行状态分析关键技术
3 000 kW 减速器配套的刮板输送机能力达到 1 500 万 t/a 以上，应用在千万吨级以上智能化开采的大型高产高效矿井，对减速器的可靠性要求非常高，减速器要基本实现数字化，减速器的健康管理系统实时对减速器的运行状态进行预判，其关键功能是根据运行参数的变化情况对减速器可能出现的故障提前进行预判和数据上传，通过及时控制、调整刮板输送机运行状态对减速器进行保护，避免故障发生。因此提取减速器哪些运行数据、如何准确预判故障是减速器健康管理系统的核心技术。
三、刮板输送机用大功率行星齿轮减速器设计关键技术
通过分析 3 000 kW 行星齿轮减速器设计主要难题，其设计的关键技术是各级传动比的分配、低速级设计和运行状态分析。
(1)3 000 kW 行星齿轮减速器传动比分配
刮板输送机特殊的驱动部驱动形式决定了其三级圆锥圆柱行星齿轮减速器各级速比分配必须要考虑与其配对使用的两级行星齿轮减速器速比，输入转速转差小于 1 r/min，2 种减速器低速结构完全相同，也就是三级传动减速器的前 2 级速比与两级传动减速器的高速级速比相同。
减速器输入轴轴承轴向和径向支撑力尽可能地小，输入轴轴承支撑力除了与其轴承布置结构有关外，根据锥齿轮副受力计算公式可知还与锥齿轮中点螺旋角和锥角相关。
刮板输送机用 1 600 kW 以上减速器输入轴采用 2 个圆柱轴承承受径向力和 1 个四点接触球轴承承受轴向力，结构布置对支撑力的影响较小。根据锥齿轮副受力计算公式，锥齿轮中点螺旋角和锥角对输入轴轴承支撑力影响非常大，从计算公式可以看出，锥角越小，输入轴轴向力越小，但径向力有一定的增加，因此要根据输入轴轴径和轴承转速以及各轴承承载能力计算出锥齿轮副的速比范围。
根据刮板输送机机头、机尾配套要求确定 3 000 kW减速器低速级内齿轮外径，初步估算动力部重量和输出扭矩等确定内齿轮壁厚，从而确定内齿轮分度圆直径范围，进一步确定行星传动齿轮副传动比和行星轮的传动结构等。
只有确定了三级减速器的锥齿轮副和低速级行星齿轮副速比后才能进一步确定三级传动减速器的第 2 级速比与两级行星传动减速器的高速级速比。这个计算过程需反复进行才能最终确定减速器的各级速比和齿轮参数。
(2)3 000 kW 行星齿轮减速器运行状态分析
减速器运行状态分析主要基础是减速器可能发生的各种故障，减速器故障从已使用减速器外部信息反馈中分析总结，进一步分析减速器各种故障与减速器各运行参数的相关性，确定减速器运行参数 采集点和采集方法，建立各系列减速器运行数据曲线，并通过大数据进行优化，获得各系列减速器数据正常运行的区间。数据采集点采集还要考虑刮板输送机智能控制所需要的数据，为配套刮板输送机智能控制提供数据支撑。同时通过经验值和大数据互为补充的模式进行分析这一思路开展减速器运行状态分析系统的研究。
3 000 kW 行星齿轮减速器三维图如图 3 所示。
四、结语
分析了煤矿井下工作面刮板输送机用大功率行星齿轮减速器工作空间小、散热差的特殊工况环境和配套条件，从高速级参数确定和轴承选型、低速级主参数确定、运行状态分析关键技术三方面分析研究刮板输送机用 3 000 kW 行星齿轮减速器设计的主要技术难题，针对其主要设计技术难题总结了设计关键技术，为其设计提供了依据。
参考文献略.