基于失效機制的鏈輪組件優化研究

張磊

（兗礦集團大陸機械有限公司，山東 濟寧 272109）

礦用刮板輸送機由于其機身矮、可彎曲、運輸能力強，能適應綜采工作面狹小的作業空間，使其成為綜采工作面上唯一的連續運輸設備。在刮板機整機強度滿足要求的前提下，作為刮板機核心部件的鏈輪組件性能是保證刮板輸送機正常運轉的前提，由此可見鏈輪組件的高性能成為提高刮板輸送機運行可靠性的關鍵因素之一。目前鏈輪組件失效主要表現為鏈輪齒面磨損失效、裂損失效、密封失效等。鏈輪齒面磨損是由物料（煤、矸石、巖石等）以及運動的刮板、圓環鏈與鏈輪產生相對運動而造成的一種磨粒磨損和金屬件磨損同時存在的混合式磨損，當鏈輪齒面的耐磨損能力不足以持續抵抗混合式磨損力時，便會出現鏈輪齒面磨損失效；鏈輪的材料、熱處理工藝不能適應交變應力的反復作用、局部高應力，就會出現塑性變形，致使鏈輪出現裂紋或缺損，最終導致鏈輪組件裂損失效；軸承置放位置不合理、密封件安裝不當、鏈輪偏載、潤滑不及時等都會導致鏈輪密封失效。可見如何提高鏈輪組件的耐磨性能、強度以及密封問題是當前急需解決的問題。

1 鏈輪組件的結構設計

兗礦集團大陸機械有限公司組織人員到兗礦集團綜機中心和國內各大礦井綜采隊、綜采工作面現場參觀學習并咨詢采煤一線工人的使用情況和意見、建議，結合國際刮板機鏈輪的設計情況，在綜合分析研究的基礎上，經過計算， 設計了一種新型鏈輪組件（圖1），主要由雙向外花鍵鏈輪軸、自帶潤滑孔軸承、分邊對稱軸承座、耐溫堅韌型浮動油封、整體鍛造鏈輪體等組成，該鏈輪組件有以下特點。

圖1 鏈輪示意圖

（1）在鏈輪材質上，通過化學成分、碳當量、冷裂敏感指數等理論分析及實驗，最終加入Ni、Mo、Va 等數種微量元素，形成新的材料配方，同時優化熱處理工藝，使鏈輪體齒面淬火硬度在HRC52 至HRC56 之間，既保證了鏈輪的強度，又增強鏈輪組件的耐磨性能，還避免了因硬度過高而使鏈輪齒易脆斷的情況出現。

（2）在密封形式上，鏈輪組件采用浮動密封環式旋轉密封,又稱油膜密封，是一種液體密封件，集浮環密封、間隙密封盒梳齒密封于一體，并運用油膜張力有效阻止泄漏的一種高性能密封。此種密封件由內浮環（高壓環）、外浮環（低壓環）、彈簧、密封圈和防轉銷等密封元件組成。浮動油封成對使用，在使用的過程中，浮封環在油膜壓力作用下，呈現浮動狀態，克服了固定套容易發生的磨損現象。

（3）鏈輪組件的軸承座分別對稱置于鑲入刮板輸送機的機頭架（機尾架）支撐區域內，既能保證受力狀況好，又能增強對軸承的保護，在同等負載下相對增加了鏈輪組件的耐沖擊能力。

（4）鏈輪組件采用遠程注油方式潤滑（外置懸掛油箱）。外置油箱懸掛在刮板輸送機的機頭和機尾的擋板上，外置油箱設有進油口和油位口。油箱的進油口設在外置油箱的底部，潤滑油經外置油箱進油口的軟管與鏈輪組件的進油口相連，為鏈輪組件及時補充潤滑油。外置油箱頂部設有油位口，此端口經軟管與鏈輪組件的排氣口相連，既能排除鏈輪組件運動中產生的氣泡，還能實時監控油箱內的潤滑油位。鏈輪的雙向外花鍵鏈輪軸內有一個兩端相通的輸油孔，安裝后此孔與鏈輪組件的軸承潤滑孔相通，實現了鏈輪組件的實時潤滑，解決了困擾綜采工作面用鏈輪組件潤滑不及時的問題，增強了鏈輪組件的使用壽命。

（5）為增強設備的通用性，減少用戶設備備件數量，將鏈輪組件設計成雙出軸的形式，即鏈輪組件兩端均為與減速器內花鍵相嚙合的外花鍵。此種結構既實現了刮板輸送機機頭和機尾鏈輪組件的通用，還實現了左右工作面用鏈輪組件的通用，增強了鏈輪組件通用性、互換性，減少了用戶對設備備件的經濟投入，節約了成本。

2 利用三維造型實現重型刮板機鏈輪數控編程設計及機械加工研究

（1）根據兗礦集團大陸機械有限公司現有設計、工藝和生產組織條件和現有設備的配置情況，結合鏈輪組件的加工工序等，優化設計、工藝、生產等資源配置形成了鏈輪三維建模編程流程圖，如圖2 所示。

圖2 鏈輪三維建模編程流程圖

（2）利用兗礦集團大陸公司現有的設計、工藝資源，進行鏈輪組件的模擬加工過程進行仿真加工，分析解決仿真中出現的問題，經過多次試驗、模擬最終形成一套符合大陸公司生產實際的生產指導數據（圖3、4）。

圖3 鏈輪齒形的建模加工過程

圖4 鏈輪模擬切削與實際加工的偏差值

（3）鏈輪齒形的熱處理。為保障鏈輪齒面性能，兗礦集團大陸機械有限公司特別研制了具有知識產權的鏈輪齒面熱處理裝置，該裝置包括電源、變壓器、感應加熱器和冷卻系統。變壓器的一端與所述電源電連接，另一端與所述感應加熱器電連接，所述感應加熱器包括由銅管多匝纏繞而成的輪齒狀線圈殼體，并且相鄰所述銅管之間設有可調節的空隙，所述線圈殼體內部具有供所述鏈輪的輪齒插入的空腔，所述銅管的橫截面為矩形。

通過以上措施、研究出更加合理的鏈輪結構和加工工藝，使鏈輪的硬度達到HRC52 至HRC56 之間，有效淬硬層深度超過13mm，提高了鏈輪組件的強度、沖擊韌性和耐磨性，借以延長鏈輪的使用壽命（圖5）。

圖5 鏈輪淬火示意圖

3 結語

采用以上方法研制的礦用刮板輸送機鏈輪，結構合理，強度充足有余，便于維護、運行平穩，提高了刮板輸送機的運行可靠性，能很好地滿足煤礦高產高效的現代化生產要求，具有廣闊的推廣和應用前景。