平地機回轉齒圈齒輪磨損故障分析及維修方法

巴特爾

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 026000）

0 引言

露天煤礦中使用的平地機是一種裝有鏟土刀板作業裝置，進行露天煤礦坑下道路土壤的切削、刮送和整平，以及修刮邊坡等作業的工程機械設備，配置松土器等其他輔助裝置時可擴大其使用范圍，具備多種場合作業的高適應性。因此，平地機是種作業效率高、作業質量高、用途廣泛的輔助機械設備，是露天煤礦有序生產必不可少的設備。平地機的工作裝置依靠齒輪傳動進行工作，伴隨著平地機服役年限的延長，在使用工況復雜多變和作業環境惡略等因素的綜合作用下，必然導致平地機回轉齒圈齒輪傳動磨損失效情況發生，給平地機的安全平穩運行埋下故障隱患。

1 平地機回轉齒圈輪齒磨損故障分析

平地機回轉齒圈的制造與它的使用壽命、工作可靠性、工作的效率、潤滑情況等緊密相關?；剞D齒圈與驅動齒輪間的嚙合屬于重載低速開放式嚙合，它的工作環境多粉塵與顆粒物，回轉圈齒嚙合面的防護和潤滑條件較差。在齒輪動力的傳遞與回轉配速的過程中，齒輪嚙合面之間同時作用著摩擦力與機械擠壓力，此外齒面還受到沖擊力和復合式應力的共同作用，因此要求齒圈材料具有良好的抗接觸疲勞性、耐磨性和抗彎曲疲勞性，即要求齒圈材料不僅表面硬度和強度要高，并且要求其芯部韌性要好[1]。

1.1 平地機工作環境與齒圈制造材料要求

露天煤礦中，平地機主要用于完成露天煤礦采場內道路的日常維護、運輸路線變更等大面積的土方作業工作。作業環境揚塵嚴重，砂石顆粒物超標，并且工作任務量較大，平地機常常滿負荷甚至超負荷作業，因此要求平地機結構件兼備強度、穩定性與耐久性，而回轉齒圈作為平地機傳導動力與控制運動的關鍵工作構件，承受著作業中的主要載荷，因此對其部件綜合質量要求非常高。

平地機回轉齒圈的工作原理是由來自驅動箱的動力經過驅動齒與齒圈嚙合傳動機械能，從而使回轉圈轉動，且平地機工作承載載荷較重，回轉圈一般做低速回轉，即平地機工作中常為低速重載荷嚙合。由于露天煤礦屬于多粉塵顆粒物的環境，因此在平地機工作時常有顆粒物進入防護條件和潤滑條件不理想的回轉齒圈嚙合面，造成齒面的磨損。此外在平地機回轉圈受驅動回轉時，回轉齒圈嚙合面上必然出現相對摩擦，同時在齒面還會受沖擊力與復合應力共同作用，因此為了保障平地機回轉齒圈的使用壽命，滿足工作需求，齒圈制作材料一般具備良好的抗接觸疲勞性、耐磨性和抗彎曲疲勞性，制造過程中通過熱處理工藝使輪齒表面具備高強度，芯部保持韌性良好。

1.2 平地機回轉齒圈輪齒失效原因

由于平地機驅動齒輪與回轉圈間機械傳動過程中伴隨著齒輪低速重載嚙合，并且齒輪嚙合傳動位置處于開放狀態，因此作業環境當中的砂礫、粉塵等顆粒物進入嚙合面，在動力傳動過程中造成嚙合面間的磨損加劇。此外，在驅動齒輪與回轉齒圈開始嚙合、嚙合、結束嚙合過程中在齒圈齒局部嚙合面上伴生著的接觸應力也隨著嚙合過程呈周期性變化，因此也可能造成齒圈齒輪的疲勞與損壞。據此，可至露天礦平地機回轉齒圈常見失效形式有輪齒折斷[2]、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形等4 種形式。

2 平地機齒圈齒失效的維修研究

平地機的回轉齒圈是一個帶有非標準內齒的齒圈，由托板懸掛在牽引架的下部，通過安裝在牽引架上的回轉液壓馬達驅動主動齒輪進而與回轉齒圈內齒進行嚙合回轉，從而驅動回轉齒圈和鏟刀進行回轉作業。回轉齒圈與角位器通過螺栓固定，角位器通過兩側切削角調整油缸與鏟刀分總成系統聯接，并在兩側與鏟刀板總成通過轉動副約束[3]，如圖1 所示。本文所討論的平地機回轉齒圈失效的維修是針對于其回轉齒圈設計為一體式構件，而非齒圈內齒部分與齒圈主體通過螺栓固定連接，磨損后可更換部件的設計形式。

平面角是指平地機鏟刀左右回轉與機身縱線所形成的夾角，平地機鏟刀的角度及其適用的工作條件見表1。平地機在露天礦作業過程中容易出現失效的回轉齒均在±45～50°的回轉平面角范圍內，以卡特彼勒14M 平地機為例，在該平面角范圍一般情況下出現回轉齒圈齒失效數量為12～17 個齒。根據平地機回轉齒圈齒磨損失效情況的程度不同與生產對設備需求情況，以及對維修效能的綜合分析，總結出以下3 種應用價值較高的維修方法。

圖1 平地機工作裝置

表1 平地機鏟刀的角度及其適用的工作條件

2.1 堆焊維修方法（維修保養期間臨時性維修）

當平地機回轉齒圈投入使用一段時間段后，易出現齒面磨損、齒面膠合，當齒面磨損量達到1/4 齒厚后，平地機回轉裝置在運行過程中便會出現頓挫，回轉不到位等問題，甚至導致設備故障停機。當需要平地機及時恢復狀態，保障安全生產有序進行時，建議采用堆焊工藝，可以保障平地機狀態短時間內恢復。

針對平地機回轉齒圈齒失效的堆焊維修適宜采用焊條電弧堆焊。焊條電弧焊設備低廉，通用性強，適合現場堆焊；特別適合堆焊形狀不規則的零件及可達性差的部位；電弧熱量集中，變形小，生產率高，但其熔深大，稀釋率高，堆焊層硬度和耐磨性下降，通常焊3～4 層，多層焊容易開裂。焊接方法如下。

（1）制備齒廓模板。要求平地機停機，使用硬紙板在齒圈齒未磨損部位拓印12～15 個齒廓，拓印齒數量盡可能多，以保證拓印質量，將拓好齒形輪廓裁剪下來，在3 mm 鋼板上進行放樣，切割制作齒廓模板。也可與設備廠家購進齒廓模板，以降低制作誤差。

（2）維修前準備。準備直徑為3.2 mmD112 堆焊焊條（應急情況下也可使用E5015 焊條），以及電焊帽、角磨機、氣刨把、碳棒等工器具材料；對要維修部位的齒圈齒進行碳弧氣刨作業，清除掉齒廓因膠合引起的卷邊毛刺等，并進行清理打磨，確保被維修齒齒面、齒頂、斷面均露出金屬光澤，無油污泥沙等雜質。

（3）焊接維修。選擇合適的焊接參數，維修人員操作電焊鉗夾持焊條，沿著受損齒圈齒的齒廓方向，由下端面向上端面進行堆焊（操作技巧與橫焊技術相同），可堆焊3～4 層，操作過程保持堆焊面平整，堆焊過程中使用齒廓模板進行比對，堆焊厚度應略多于原齒，保證后續修形有充足余量。

（4）焊后修形。使用齒廓模板與焊后部位進行對比，如圖2所示，對多出的余量使用記號筆做標記。根據實際情況，使用碳弧氣刨將余量較大的部位氣刨清除，對于余量不滿足氣刨作業的部位則使用角向磨光機進行打磨修形。使用齒廓模板由齒圈下端面至上端面多次、反復進行比對，確保修形質量，還可以啟動平地機空載運行回轉齒圈，檢查維修質量。

2.2 Q345 板材鑲嵌維修

由于平地機回轉齒圈齒在頻繁啟動、低速重載和過載的傳動中，易出現齒面膠合與齒面塑性變形，當這類磨損失效形式導致回轉齒圈齒的齒頂磨禿、齒厚磨損掉1/2～2/3 時，就需要設備立及時停機進行整修，其維修方法可以選擇鑲嵌的方式。

圖2 齒廓板修整齒圈內齒比對

鑲嵌維修指的是當回轉齒圈內齒磨損、變形、膠合比較嚴重的情況下，選用與齒圈母材材料性能相近的金屬材料，鑲嵌焊接在磨損的回轉齒圈內齒上的，通過修型后回復齒圈原功能的維修辦法。當平地機回轉齒圈內齒磨損至1/2～2/3 時，如果采用堆焊工藝就要面臨以下問題：

（1）堆焊維修時間較長，維修工時響應延長。

（2）當平地機回轉齒圈內齒磨損至1/2～2/3 時，堆焊需要7～10 層，遠超出一般堆焊允許的焊接層數，堆焊焊條堆焊超過4層以上易出現開裂，切堆焊層過后脆性增加、韌性降低。

（3）堆焊作業量加大，對齒圈內齒及其周圍區域熱數量增加，易造成齒圈母材退火、材料內部金相發生變化，從而降低修復質量。

鑲嵌鋼材的選擇：由于平地機回轉齒圈采用的是40Cr 鋼，該材料經過調質處理后具有良好的綜合力學性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性，經過表面淬火后具有較高的表面硬度與耐磨性。露天礦維修單位常用的Q345 鋼的力學性能、抗疲勞性能及耐磨性均能與40Cr 鋼比較相近，同時能夠滿足工藝性能良好、鋼材經濟成本低的要求，因此Q345 鋼應為回轉齒圈鑲嵌維修首選鋼材。維修方法如下。

（1）平地機回轉齒圈齒清理與修形：使用碳弧氣刨、角向磨光機清除掉齒廓因膠合、變形引起的卷邊毛刺以及泥沙油污等，并將待修齒的輪廓修整至相同形態，并在上下齒圈齒端面開5 mm 深的半V 型坡口（30°～45°）。

（2）制備Q345 鋼鑲嵌部件：使用Q345 鋼板（10～12）mm 制備被鑲嵌齒的原有齒廓形狀，通過折彎機進行比對進行折彎，折彎對鑲嵌部件尺寸要求如圖3 所示，數據來源于設備配件手冊，鑲嵌部件尺寸應略大于齒廓尺寸，以保證有足夠的余量便于焊接與修形。

（3）Q345 鋼鑲嵌部件的安裝點固：對已經彎折完畢的U 型鑲嵌部件外側進行打磨去除銹跡，以回轉齒圈上齒面為基準進行焊接點固，點固安裝要求鑲嵌部件與回轉齒圈齒面貼合嚴密，焊接后不留間隙（圖4）。

圖3 鑲嵌部件樣式

（4）鑲嵌部件的焊接：鑲嵌部件點固完畢后，可采用焊條電弧焊或二氧化碳氣體保護焊將鑲嵌部件與回轉齒圈焊接在一起，要求將所有縫隙全部進行焊接。

圖4 鑲嵌部件安裝示意

①焊條電弧焊。選用Φ3.2 mm 的E7018 焊條，焊接過程中應保證焊縫質量，避免出現夾渣、焊瘤、未熔合等缺陷；②二氧化碳氣體保護焊。選用Φ1.2 mm 的E71T 焊絲進行焊接，由于二保焊熱數量較大，所以為避免由于熱輸入過大引起鑲嵌板材與齒圈母體發生組織退火，焊接時應對熱輸入量與層間溫度有所控制。

（5）制備齒廓模板：使用硬紙板在齒圈齒未磨損部位拓印12～15 個齒廓，拓印齒數量盡可能多，以保證拓印質量，將拓好齒形輪廓裁剪下來，在3 mm 鋼板上進行放樣，切割制作齒廓模板。也可與設備廠家購進齒廓模板，以降低制作誤差。

（6）焊后修形：待鑲嵌部件焊接完畢，齒圈冷卻至室溫以后，使用齒廓模板與焊后部位進行對比，對多出的余量使用記號筆做標記；根據實際情況，使用碳弧氣刨將余量較大的部位氣刨清除，對于余量不滿足氣刨作業的部位則使用角向磨光機進行打磨修形；使用齒廓模板由齒圈下端面至上端面多次、反復進行比對，確保修形質量，還可以啟動平地機空載運行回轉齒圈，檢查維修質量。

2.3 回轉齒圈的平轉焊接

本文所討論的卡特彼勒14M 型平地機其回轉齒圈與輪齒為一體式設計，不具備局部更換的條件。當平地機回轉齒圈工作區已磨損到不能通過焊接鑲嵌部件進行維修，或者通過鑲嵌維修后再次磨損，甚至出現回轉齒圈輪齒折斷情況時，就需要維修人員根據平地機的狀況進行整修。經過對平地機回轉齒圈結構的分析，可以采用齒圈平移調轉的方式將為磨損的齒圈齒調整至工作位置，具體方法如下。

（1）回轉齒圈的拆卸：平地機停機停放車間后，拆卸相關升降油缸、牽引架引出油缸，拆卸平地機刮刀，最后將平地機回轉齒圈與平地機牽引架進行拆解分離，如圖5 所示。

（2）回轉齒圈的放置與固定：使用橋式起重機（天吊），四點平穩吊起齒圈，并安放于平整的維修臺位（鋼板鋪設的臺位），回轉齒圈耳板與維修臺位接觸，要求回轉齒圈姿態保持水平，保持回轉齒圈姿態穩定后，將回轉齒圈剛性固定在維修臺位上。建議使用14a 型槽鋼與DN25 鋼管配合使用，用手工焊條電弧焊將回轉齒圈上的附屬部件（2 個回轉圈耳板、刮刀傾角油缸底座）與維修臺位進行點固焊接，通過剛性連接使相關附件的相對位置保持不變。

圖5 回轉圈單元示意

（3）回轉圈與回轉圈附件的分離：當平地機回轉圈在維修臺位剛性固定穩定后，使用碳弧氣刨沿著回轉圈與耳板、刮刀傾角油缸底座間的焊縫進行氣刨去除。碳弧氣刨作業將焊肉去除干凈，并避免傷及齒圈及其附件的母材，形成平整坡口，將齒圈與其附件分離后將坡口進行打磨，去除碳化層，同時將齒圈后續焊接位置進行打磨，清除油漆及其他雜志。

（4）回轉圈平移焊接：根據實際使用需要，使用天吊將回轉齒圈進行吊起，人力輔助齒圈平轉180°，將磨損位置的齒圈齒平轉至工作區，平移完成后，緩降天吊，將齒圈與剛性固定好的齒圈附件重新組對，為避免焊接后齒圈附件因焊接應力導致變形、錯位等情況的發生，點固時應點焊牢固，點固好后進行焊接。焊接時采用對稱焊接，并控制焊接熱輸入量，由于回轉齒圈母材為40Cr，所以焊接時應保證焊前預熱達到500 ℃，焊接時控制層間溫度在（250～300）℃。

（5）回轉圈與平地機的組裝：平地機回轉圈平移焊接完畢后，當焊縫溫度溫度緩降至室溫后，使用碳弧氣刨解除回轉圈與臺位的剛性連接。重新將回轉圈與平地機牽引架以進行組裝，安裝油缸、管路等其他附件。當平地機安裝恢復后，試運行，并及時調試時平地機恢復狀態。

3 結論

通過對平地機回轉圈齒圈失效原因的研究分析，結合露天煤礦使用平地機的實際工況，以及對平地機的不同使用要求，總結出3 種有效的方法：齒圈齒堆焊維修、Q345 板材鑲嵌維修、回轉圈平移維修，并經過實踐檢驗3 種維修方法有效應和可行性較強，為平地機回轉齒圈的失效維修提供了可靠的技術保障，同時具有廣泛推廣應用于相關類型維修工作當中的借鑒價值。