采煤機行走部齒輪故障分析與診斷

張繼軍

（陜西能源職業技術學院，陜西咸陽 712000）

0 引言

隨著機械設備故障診斷水平提升，降低了因機械故障引起的經濟損失以及人員傷亡。采煤機是煤炭產業常用的機械設備，由于煤炭產業發展，采煤機種類多種多樣，功能更加齊全[1]。采煤機結構比較復雜、工作環境惡劣，行走部是其故障高發部件。采煤機發生故障，必須暫停煤礦生產工作，經濟損失巨大。

1 齒輪故障類型

齒輪是傳遞動力的主要機構，因材料、工作條件等方面影響，齒輪故障形式也有所不同。

（1）齒面耗損。潤滑油清潔度低或者油量偏少，極易出現齒面磨損問題，導致齒廓有一定改變，甚至因過度磨損而出現斷齒現象。齒面磨損主要包含正常磨損、表面磨損和干涉磨損等3 種情況。正常磨損是指在使用齒輪初期，發生緩慢且無法避免的磨損，縮短齒輪使用壽命，嚴重影響齒輪運行性能。表面磨損是指因潤滑油性能不佳，其性能隨之下降，摩擦系數有一定程度提高，使得齒輪表面磨損速度更快，造成齒廓出現變形現象[2]。干涉磨損是指齒頂以及齒根部位出現磨損，在這種情況下，會導致齒根位置出現溝槽。此外，因潤滑油混合雜質，當齒輪嚙合存在相對運動時，使得齒面材料發生錯位，加上受到化學物質腐蝕，使得齒面出現剝蝕，導致齒面整體存在凹痕或者晶界遭受氧化，齒面部分位置存在紅棕色銹跡。齒輪進行熱處理過程中，因受到氧化而導致齒輪表面存在不規則凸起的現象。

（2）塑性變形。塑性變形是指出現無法恢復成原狀的永久性變形。通常情況下，如果齒輪處于重載，齒面因材料屈服，導致齒輪發生永久性變形。深入分析原因可知，齒面遭受較大應力。因此，故障大多出現在頻繁啟動的系統中。此外，全齒、局部折斷分別出現在直齒輪、斜或者錐齒輪中。導致齒輪折斷的因素多種多樣，例如，齒輪安裝精度不足、齒輪發生松動、齒面精度不足等。另外，齒輪在實際運行過程中，由于機器零件溫度過高，導致齒輪發生塑性變形，使得齒輪強度明顯降低。同時，在循環載荷的不良影響下，齒輪裂紋會出現擴展現象，嚴重時還會發生折斷。采煤機行走輪強度、抗負荷能力是確保其正常運行的關鍵，如果行走輪強度較低，會使得無法承載其正常工作負荷。行走輪強度過高，會使得行走輪出現硬度過高的情況，導致行走輪出現非正常斷裂。

（3）膠合。重載或齒輪處在高速轉動狀態下，其表面溫度過高，如果使用的潤滑劑不良，各齒輪表面的油膜會隨之消失，導致一個齒輪表面焊接與另一個齒輪相嚙合。在這種情況下，齒面上容易出現劃痕狀膠合。齒面膠合極易導致齒面出現強烈的磨損，造成傳動不穩定，引起齒輪報廢。為解決以上問題，相關人員可減小齒輪模數，采用抗膠合的潤滑油，均能有效預防齒面膠合故障發生。

（4）出現裂縫及裂紋。齒輪受到熱處理、磨削不當、應力大等因素影響，均容易出現裂縫或裂紋問題。此外，齒輪實施熱處理過程中，由于內應力大，容易發生裂紋，這種情況在淬火階段最為常見[3]。

2 齒面嚴重磨損的原因分析

采煤機單牽引運行中容易出現嚴重磨損問題，這是由于采煤機僅有一側處在正常運行狀態，另一側并未給采煤機行走提供所需動力。采煤機在實際運行中，只有一組行走部位可以承擔相應的行走動力，導致行走部相關部件承受較大載荷，造成齒輪嚙合面出現較大摩擦，使得驅動輪行走輪齒出現嚴重磨損。

（1）單側行走部因行走部與牽引部支持動力傳遞的花鍵軸損壞。由于牽引部提供的行走動力無法傳遞至行走部齒輪上，從而出現另一側行走部單牽引采煤機處在運行狀態。采煤機配置的2 臺牽引電機，如果有一臺損壞或者無法正常工作，就會影響采煤工作順利展開。牽引機中某一傳動副失效，則動力難以實現傳輸。

（2）采煤機導向滑靴嚴重磨損，喪失對于行走輪導向控制作用。因工作面起伏較大，采煤機實際工作時，單側行走部導向滑靴會出現翹起的情況。行走輪處在非正常工作狀態，極易出現另一側驅動輪、行走輪需要承擔更大的承載，在一定程度上加速齒面磨損。受配置、設計等因素影響，使得刮板輸送機與采煤機齒軌輪出現超差問題，導致齒軌輪中心距出現超差，導致行走箱和齒軌輪面臨磨損。

受制造工藝影響，采煤機工作中或多或少會出現一定缺陷，導致行走部齒輪品質難以得到有效保障，其耐損性能明顯下降，極易出現磨損問題。對煤礦進行開采作業時，比較常見的是地板凹凸不平或刮板輸送機出現齒軌脫離等一系列問題。采煤機導向滑靴或齒軌輪與輸送機之間的銜接部處發生卡阻等問題，會導致采煤機行走箱發生齒軌斷裂等。如果情況比較嚴重，必然導致采煤機出現掉道事故。采煤機工作面向著俯角進行開采，其重點向著煤礦側方進行傾斜，使得導向滑靴和齒軌運行相互偏離，依次出現較大縫隙，導致齒輪與齒軌存在差距。如果齒輪吻合后出現的中心距大于預期值，二者間的嚙合部位偏向節圓上部，促使齒軌輪齒頂的硬化層發生塌落，由此出現齒輪或齒軌輪發生磨損或者斷裂等情況。

（3）熱處理未滿足設計要求。采煤機配置的行走輪、驅動輪齒面的滲碳層深度、硬度實施熱處理時，并未滿足設計要求，齒面無法獲取良好的硬度及耐磨性。

3 預防措施

3.1 做好日常維護工作

檢修班組需要做好日常維護工作，嚴格按照日檢、周檢、月檢各項要求進行檢查和維護工作。必須注意，采煤機的行走部件螺栓是否發生松動，運行中是否出現聲音、溫度等異常，這些均是每天必須檢查的項目，便于及時發現、處理問題，避免隱患逐步擴大，引起更嚴重事故。此外，對于導向滑靴、銷排等，也要做好相應的檢測與維修工作。由于磨損量的限制，如果銷排和導向滑靴之間磨損量較大，會出現嚙合問題。替換耐磨層剩余較少的零構件，對其實施重堆焊后方可再次使用，避免銷排與導向滑靴因磨損超量發生損壞現象，提升采煤效率。

3.2 優化行走輪處理工藝及材料

分析采煤機發現，大部分采用18Cr2Ni4WA 制作行走輪。目前，普遍采用的電渣重熔鋼，能有效提高滲透層厚度，使得電渣重熔鋼使用年限有所提升。從整體看，行走輪使用新材料后，其耐磨性、結構強度均有顯著提高。

4 實例

4.1 存在的問題

本次研究選取MG300/720-AWD 采煤機為對象，分析其行走箱行走輪軸問題，提出相應對策。采煤機在煤礦井下使用過程中，因受地質條件變化及刮板輸送機推進操作的影響，使得導向滑靴和底托架對行走輪軸出現較大軸向力。

行走輪軸由于多重作用力的影響，容易發生變形，一旦出現變形，行走輪軸與行走箱殼體之間的配合面出現較大的徑向作用力，直接影響行走輪軸拆裝。行走輪長時間和燒結一起轉動或者外竄切斷壓板，導致底托架和導向滑靴報廢。

行走輪和輪軸間使用滑動軸套間隙相互配合，由于遭受煤粉塵，導致行走輪軸處油孔堵塞，潤滑失效，行走輪與輪軸燒結無法正常轉動，促使壓板與軸端M12 內六螺栓出現剪切斷裂，使得行走輪軸發生外竄。

4.2 改進方法

通過研究，對采煤機行走輪結構進行改造，將原行走輪圓頭轉變為方頭，節省壓板。將底托架原直徑（130 mm）圓孔銑削為方孔（140 mm×240 mm），在一定程度上增加抗剪能力，防止行走輪軸與行走輪燒死后和底托架、滑靴發生相對轉動的情況。從聯結方法上分析，方頭軸和底托架方孔使用8 個M16 的內六角螺栓進行連接，用于加大行走輪軸和底托架之間的壓緊力，促使行走輪上壓緊力比軸向力大，不會發生外竄。MG300/720-AWD采煤機改進后，設備故障明顯減少，使用效果理想。

5 結論

煤礦開采作業中必須使用采煤設備，采煤機具有較強的平穩性，能滿足底板起伏或中心距發生改變等問題。如果采煤機行走部齒輪發生故障，會使得整個采煤機應用效率下降。因此，必須做好采煤機行走部齒輪故障防治與維護工作，充分發揮其在煤礦開采中的作用，大大提升煤礦開采效率。