采煤機(jī)行走輪齒斷齒原因分析與改進(jìn)措施研究

王忠民

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同家梁礦業(yè)公司，山西大同 037000）

0 引言

在井下煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，采煤機(jī)的作用尤為重要，因此，對(duì)井下作業(yè)而言，其可靠性與安全性影響極其深遠(yuǎn)。對(duì)于采煤機(jī)而言，其外牽引損壞形式主要為行走齒輪的輪齒斷裂，若輪齒出現(xiàn)非正常斷裂，那么不僅會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行，而且還會(huì)因地質(zhì)條件的不斷加劇，從而致使損壞程度更加嚴(yán)重。因此，對(duì)行走齒輪的斷裂與磨損問(wèn)題的研究勢(shì)在必行。本文基于對(duì)大量行走齒輪輪齒斷裂狀況的分析，并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)產(chǎn)生輪齒斷裂因素進(jìn)行分析，最后在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改善與優(yōu)化措施[1]。

1 行走齒輪損壞現(xiàn)象

對(duì)于采煤機(jī)而言，行走齒輪不僅是其外牽引的執(zhí)行元件，還是其眾多零部件中最易損壞的一種，因其傳動(dòng)多為開(kāi)式，故而其工況條件極為惡劣。通常行走齒輪與銷(xiāo)排嚙合的傳動(dòng)方式為非共扼嚙合，通過(guò)改變嚙合角度實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力和壓力角的改變。因井下坡度的不同，故而常會(huì)致使工作中的行走齒輪隨著采煤機(jī)的變化而出現(xiàn)中心距的改變，從而導(dǎo)致其銷(xiāo)排節(jié)距出現(xiàn)偏移或是磨損等狀況，進(jìn)而造成銷(xiāo)排與行走齒輪的嚙合條件加劇，最終出現(xiàn)齒根斷裂、齒側(cè)剝落以及齒面磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。

2 行走齒輪損壞原因分析

基于同種工況下不同行走齒輪與非同種工況下同種行走齒輪的對(duì)比，對(duì)行走齒輪輪齒斷裂問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 行走齒輪形狀和工藝的影響

據(jù)跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在同種工況下，因不同行走齒輪的不同壽命，從而致使其齒根與齒長(zhǎng)在過(guò)渡圓角偏小時(shí)常會(huì)出現(xiàn)斷裂的狀況。對(duì)于行走齒輪而言，當(dāng)其輪齒較長(zhǎng)時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)銷(xiāo)排齒座的干擾狀況，不僅如此，還會(huì)在嚙合過(guò)程中提升相互摩擦，從而導(dǎo)致齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難的狀況，最終出現(xiàn)斷裂、磨損以及憋卡等現(xiàn)象；而當(dāng)齒根的過(guò)渡圓角較小時(shí)，因齒根強(qiáng)度的降低，故而在其承受較大的彎曲應(yīng)力時(shí)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中狀況，從而致使斷齒或是裂紋等狀況的出現(xiàn)[3]。

2.2 工況及連接部件的影響

在非同種工況下，對(duì)于同種行走齒輪而言，所表現(xiàn)的效果差異極為明顯。當(dāng)所處施工環(huán)境為刮板輸送機(jī)銷(xiāo)排布置平順、巷道平穩(wěn)或是煤層較軟無(wú)夾矸時(shí)，其使用壽命均相對(duì)較長(zhǎng)；反之，當(dāng)煤層的夾矸較多，且較為堅(jiān)硬時(shí)，因其滾筒截齒受力的提升，故而常會(huì)致使沖擊載荷的形成，從而導(dǎo)致齒輪磨損狀況的發(fā)生；當(dāng)行走齒輪進(jìn)行井下爬坡時(shí)，因其不均衡的受力狀況，故而常會(huì)出現(xiàn)單行走齒輪的磨損或是壓潰等狀況[4]。

對(duì)于行走齒輪而言，其壽命的長(zhǎng)短主要取決于銷(xiāo)排的布置狀況與自身質(zhì)量，因多數(shù)銷(xiāo)排均為鑄造件，故而均普遍存在著表面粗糙、圓角和倒角處理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。在安裝刮板運(yùn)輸機(jī)溜槽時(shí)，不僅要確保水平彎曲≤±10，還要保證垂直彎曲≤±30。如果井下的工況或是安裝未達(dá)到事前條件，那么將會(huì)致使銷(xiāo)排節(jié)距無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互接觸。對(duì)于存在傾角的工作面而言，因其坡度使得銷(xiāo)排存在由機(jī)尾滑向機(jī)頭的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致接口間隙過(guò)小，進(jìn)而造成接口處節(jié)距過(guò)小的問(wèn)題發(fā)生。

若節(jié)距降低時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生滯后嚙合，且因負(fù)荷的提升使得自身出現(xiàn)嚴(yán)重變形與壓潰；若過(guò)程中存在起伏，那么將會(huì)致使銷(xiāo)排與其出現(xiàn)相互撞擊，從而導(dǎo)致設(shè)備壞損。如果增大其節(jié)距，抬升采煤機(jī)，則銷(xiāo)排側(cè)板與導(dǎo)向滑靴下鉤將會(huì)緊密相連，若導(dǎo)向滑靴發(fā)生磨損現(xiàn)象，將難以保護(hù)行走齒輪。

平滑靴主要用于采煤機(jī)的支撐以及規(guī)范其行走方向的作用。在具體應(yīng)用中需要接觸到較大的壓力，所以磨損相對(duì)較快，若其磨損超過(guò)規(guī)定范圍，將會(huì)影響采煤機(jī)平衡，令其傾斜向煤壁側(cè)，令導(dǎo)向靴與行走齒輪向上傾斜，銷(xiāo)排和行走齒輪之間的嚙合受影響，加快磨損其溝槽，擠壓行走齒輪齒側(cè)，令其磨損進(jìn)一步加劇。所以，為使行走齒輪壽命有所延長(zhǎng)，需要對(duì)平滑靴底面磨損情況予以控制[5]。

3 行走齒輪磨損斷裂問(wèn)題的改進(jìn)措施

3.1 材料的改進(jìn)

與廠家合作時(shí)，最初選擇40CrNiMo作為行走齒輪所需材料，通過(guò)熱處理后，其芯部硬度處于HRC32-35之間，其齒面硬度處于HRC52-56之間，對(duì)此，為令其耐磨性有所提升，和廠家協(xié)商后決定將鎢添加在行走齒輪材料內(nèi)，并調(diào)整了其熱處理工藝，最終得到18Cr2Ni4W。表1為上述兩種材料相關(guān)性能對(duì)比。

18Cr2Ni4W屬于低碳合金鋼，所以其工序整調(diào)了滲碳環(huán)節(jié)，其表面淬火可以由整體淬火所取代。當(dāng)其熱處理工藝與材料改變后，其滲碳層深度處于1～2.4 mm之間，其芯部硬度則介于HRC38～HRC42之間，齒面硬度則處于HRC58～HRC62之間[6]。

表1 兩種材料的機(jī)械性能

3.2 導(dǎo)向滑靴的改進(jìn)

導(dǎo)向滑靴在采煤機(jī)工作時(shí)不僅具有支撐與導(dǎo)向作用，還能在一定程度上保護(hù)行走齒輪，所以，當(dāng)其發(fā)生磨損后對(duì)行走齒輪會(huì)產(chǎn)生一定影響，致使其下沉，同時(shí)嚙合線(xiàn)的位置也會(huì)發(fā)生改變，向下移動(dòng)，若其達(dá)到行走齒輪的齒根圓處時(shí)會(huì)與其承受的扭矩相接近，在磨損其硬化層后，會(huì)令該部位產(chǎn)生形變，甚至齒形彎曲。加工導(dǎo)向滑靴后，會(huì)令其橫向與縱向之間的間隙得到保障。此外，容易損壞之處還包括其溝槽處，采取焊接耐磨條的方式有利于磨損程度的降低，使行走齒輪得到保障。

3.3 行走齒輪齒形的改進(jìn)

現(xiàn)如今，擺線(xiàn)與漸開(kāi)線(xiàn)是行走齒輪較為常見(jiàn)的兩種齒廓形狀，若采煤機(jī)功率相對(duì)較大，則選擇前者，若功率較小，則選擇后者。例如行走齒輪若屬于大功率線(xiàn)型，便可優(yōu)化其齒根圓與輪齒長(zhǎng)度的圓角，令其加工精度有所提升，且能有效避免尖棱尖角與刀痕。使其刮板運(yùn)輸機(jī)與行走齒輪的嚙合性能得到有效改善，沖擊載荷有所減小。

當(dāng)前齒廓形狀利用新工藝與新材料予以?xún)?yōu)化后得到的新行走齒輪。現(xiàn)如今，在實(shí)際使用過(guò)程中已較為常見(jiàn)，其應(yīng)用范圍明顯擴(kuò)大，并且與之前相比其壽命與性能得到明顯提升，其壽命能夠達(dá)到原有3倍[7]。

3.4 其他影響因素的改善

實(shí)際上，行走齒輪和銷(xiāo)排齒輪齒條的嚙合原理具有一定相似之處，且行走齒輪壽命與銷(xiāo)排的安裝精度、磨損程度以及表面粗糙程度和齒廓形狀具有一定關(guān)系。所以對(duì)銷(xiāo)排進(jìn)行選擇時(shí)，不僅要有較少的缺陷，還應(yīng)具有較高的精度，在安裝時(shí)也應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行，為延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)行走齒輪、平滑靴以及銷(xiāo)排與導(dǎo)向滑靴等均應(yīng)定期檢查，若發(fā)現(xiàn)有較大磨損，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修或更換，從而減少或避免其他部件受到影響[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)行走齒輪輪齒斷裂與磨損的原因進(jìn)行分析時(shí)，跟蹤研究了大量采煤機(jī)的行走齒輪，并根據(jù)具體原因提出了與之相應(yīng)的解決方案，通過(guò)與廠家協(xié)商改進(jìn)了銷(xiāo)排、導(dǎo)向滑靴與行走齒輪等較為突出的問(wèn)題，并取得了顯著成效，明顯提高了其使用壽命。然而與井下需求與設(shè)計(jì)相比，其實(shí)際使用壽命還需進(jìn)一步提升，若要令其效果達(dá)到較為理想的狀態(tài)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)，首先進(jìn)一步分析嚙合運(yùn)動(dòng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)根據(jù)井下工作具體環(huán)境對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，為安全可靠的運(yùn)行采煤機(jī)提供保障。