采煤機齒軌輪剝落與掉塊原因分析及預防措施

蘇樂

西安重裝蒲白煤礦機械有限公司 陜西蒲城 715517

1 序言

采煤機在某礦工作面上，使用工況惡劣，潤滑條件差，粉塵嚴重，地質條件復雜，開采的工作面煤層平均厚度3.8m，煤矸石較多，含夾矸3~4層，夾矸厚度0.2~0.5m，頂板巖性多為砂巖，底板巖性以花崗巖為主。煤層硬度系數(shù)目前為f5~f6，工作面長度330m，走向長度約1960m，年設計能力260萬t，工作面煤層來壓較慢，初采用強行放頂，向前推進快，煤質較堅硬，采割過后都是較齊的煤壁。采煤齒軌輪傳動系統(tǒng)屬低速重載的開式傳動，齒軌輪通過與刮板運輸機銷排的嚙合帶動采煤機在刮板運輸機上的往復運動，以實現(xiàn)采煤機的割煤及裝煤工作。在采煤過程中，采煤機齒軌輪經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷，齒軌輪在使用10余天后齒面發(fā)生剝落失效。為了研究采煤機齒軌輪的剝落失效原因，對礦返回齒軌輪進行了理化分析。

2 理化檢驗

2.1 剝落檢驗

某礦返回的齒軌輪齒面、齒端面及齒頂棱處發(fā)生剝落失效，齒棱處剝落的裂紋源位于次表層，如圖1所示。齒面剝落的深度大于磨損的程度，剝落深度為2~4mm，剝落區(qū)約占輪齒的80%，如圖2所示。在掃描電鏡下分別對剝落及磨損區(qū)進行觀察，可見剝落擴展區(qū)存在脆性裂紋，齒面主要為磨粒磨損，如圖3、圖4所示。

圖1 齒輪端面及棱剝落宏觀形貌

圖2 齒面磨損與剝落宏觀形貌

圖3 齒輪端面剝落區(qū)微觀形貌

圖4 齒面剝落及磨損區(qū)微觀形貌

2.2 成分分析

在其礦返回已剝落的齒軌輪上取樣化驗，成分化驗結果見表1。由表3判定齒軌輪的材質為18Cr2Ni4WA，符合技術要求。

表1 齒軌輪成分化驗結果（質量分數(shù)） （%）

2.3 金相檢驗

從已剝落的齒軌輪試樣上取樣，分別按照GB/T 13299—1991、JB/T 6141.3—1992、GB/T 6394—2017、GB/T 10561—2015標準進行金相檢驗，結果見表2。由表2可見，滲層碳化物級別評為網(wǎng)狀5級，不符合JB/T6141.2—1992要求（1~4級）；滲層晶粒度級別為3級，按GB/T 3480.5—2008要求，齒軌輪屬MQ級別齒輪，晶粒度級別細于5級，可見齒軌輪滲層晶粒級別不符合GB/T 3480.5—2008要求。非金屬夾雜評為A0.5、B1.0，符合GB/T 3077—2015要求，未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷，齒軌輪的有效硬化層深度為7.0mm（見圖5），符合圖樣技術要求（6~7mm）。

表2 齒軌輪金相檢測結果

圖5 齒軌輪齒面硬度梯度曲線

2.4 硬度檢測

按照GB/T 230.1—2018標準對齒軌輪的齒面、齒心分別進行硬度檢測，結果見表3。由表3可見，齒軌輪的齒面硬度不符合技術要求。

圖6 齒面滲層組織

表3 齒軌輪硬度檢測結果 （HRC）

圖7 齒心部組織

3 檢測結論

1）齒軌輪齒面、齒端面及齒頂棱處發(fā)生剝落失效。

2）齒軌輪的材質、有效硬化層深度均符合技術要求，齒面硬度不符合圖樣要求。

3）齒軌輪滲層晶粒度級別不符合G B/T 3480.5—2008標準要求，滲層殘留奧氏體含量為4.7%，滲層碳化物不符合技術要求。

4 失效原因分析

4.1 環(huán)境因素

齒軌輪傳動系統(tǒng)屬低速重載的開式傳動，使用工況惡劣，潤滑條件差，粉塵嚴重，且在使用過程中經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷，這種惡劣環(huán)境是導致齒軌輪剝落的環(huán)境誘因[1]。

4.2 設計因素

據(jù)GB/T 3480.5—2008標準中的5.6.1總則規(guī)定，齒面硬化層深度不能超過規(guī)定的最大滲層深度值，否則齒頂有脆裂危險，根據(jù)5.6.2對滲碳淬火齒輪的有效硬化層深度的規(guī)定，齒輪齒面有效硬化層深度應≤6.0mm，因為過深的有效硬化層會增加齒輪表面脆性[2]，且使得滲層內(nèi)的殘余壓應力超過齒尖附近表面的抗拉強度，所以易使表面與心部分離，造成剝落。

4.3 生產(chǎn)制造因素

1）齒軌輪滲層存在嚴重的網(wǎng)狀碳化物，割裂了金屬的連續(xù)性，降低了滲碳層的強度及韌性[3]，是致使齒軌輪剝落的一個原因。

2）滲碳層原奧氏體晶粒為3級，不符合GB/T 3480.5—2008標準中晶粒度細于5級的要求，粗大的晶粒致使齒軌輪滲層的沖擊韌度及塑性降低。

3）齒軌輪經(jīng)過－8 0℃的深冷處理（保溫2h），齒軌輪滲層的殘留奧氏體含量僅為4.7%，降低了滲層中裂紋擴展因子KIC，不易使裂紋尖端鈍化，增加了滲層的脆性，降低了齒軌輪表面的壓應力[4]。

4）由于齒面較高的硬度，提高了齒表面的脆性，因此齒軌輪滲層存在網(wǎng)狀碳化物甚至粗大的網(wǎng)狀碳化物，較少的殘留奧氏體、過高的硬度是造成齒軌輪剝落的主要原因。

5 結論及建議

齒軌輪惡劣的使用工況、過深的有效硬化層設計、不良的滲碳層、較少的殘留奧氏體，以及過高的硬度、淬火后深冷處理不當是導致齒軌輪剝落的主要原因。因此，建議齒軌輪齒面有效硬化層深度為5.5~6.0mm，采用合理的滲碳工藝，確保滲層碳化物級別小于3級，取消深冷處理工序，優(yōu)化淬火工藝，使?jié)B層硬度為58.0~62.0HRC，殘留奧氏體含量為15%~30%，晶粒度級別大于7級，以確保齒軌輪滲層的韌性，避免齒軌輪的齒面剝落。