采煤機(jī)截割搖臂傳動(dòng)故障分析

許昌忠

(大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦)

采煤機(jī)截割搖臂傳動(dòng)故障分析

許昌忠

(大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦)

截割部搖臂齒輪箱是采煤機(jī)的動(dòng)力傳遞裝置，從安裝方式、受力、工作環(huán)境等方面分析了其易產(chǎn)生故障的原因，并對(duì)搖臂齒輪箱齒輪和軸承破壞形式進(jìn)行了分析，為有效排除采煤機(jī)故障提供了參考。

采煤機(jī) 搖臂齒輪箱 故障分析

我國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量占世界煤炭?jī)?chǔ)量的33.8%，可采量位居世界第二位，產(chǎn)量位居世界第一位。煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中占到70%以上，因此，煤炭工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)地位是長(zhǎng)期的和穩(wěn)固的，具有不可替代性[1-2]。

目前，隨著采煤機(jī)生產(chǎn)能力的飛速提高，高強(qiáng)度的生產(chǎn)模式導(dǎo)致設(shè)備的老化加劇，故障率大幅度增加，一定程度上制約了工作面產(chǎn)量的穩(wěn)步提高，影響了煤礦高效生產(chǎn)。采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱為傳遞截割動(dòng)力部件，是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，搖臂齒輪箱故障約占采煤機(jī)故障率的34.2%，而且有增加的趨勢(shì)[3]。因此，研究分析采煤機(jī)搖臂齒輪箱常見故障及原因，對(duì)于提高采煤機(jī)可靠性，確保煤礦高效安全生產(chǎn)十分有必要。

1 采煤機(jī)

1.1 采煤機(jī)組成

采煤機(jī)主要由截割部、牽引部、電氣控制箱以及附屬裝置等部分組成。截割部主要由截割滾筒、截割電機(jī)、截割搖臂、齒輪箱以及調(diào)高裝置等部分組成，牽引部主要由牽引部齒輪箱以及行走機(jī)構(gòu)等部分組成，電氣控制箱主要由各類控制電器、保護(hù)電路、顯示裝置以及報(bào)警裝置等部分組成，附屬裝置通常包括導(dǎo)向裝置、油箱、破碎機(jī)、冷卻系統(tǒng)以及噴霧系統(tǒng)等。

1.2 采煤機(jī)工作原理

截割電機(jī)通過搖臂齒輪箱傳遞動(dòng)力給滾筒，利用截割部滾筒旋轉(zhuǎn)割煤，截齒滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)完成落煤，落下的煤塊拋落到刮板輸送機(jī)溜槽內(nèi)，再通過皮帶等運(yùn)出工作面。

1.3 搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)

搖臂齒輪箱是采煤機(jī)的重要的傳動(dòng)裝置，采煤機(jī)截割部通過搖臂耳座與采煤機(jī)機(jī)身連接(圖1)，滾筒的位置根據(jù)工作面煤層高度通過調(diào)高油缸調(diào)整。在井下現(xiàn)場(chǎng)，由于搖臂箱安裝方式特殊，受工作面振動(dòng)、粉塵等影響明顯，其工作特點(diǎn)：①采煤機(jī)搖臂齒輪箱與普通齒輪箱相比，是隨著采煤機(jī)截割部上下而一起移動(dòng)的;②采煤機(jī)搖臂齒輪箱所受載荷是非均勻的，隨時(shí)受到煤塊等的沖擊;③采煤機(jī)搖臂齒輪箱所受振動(dòng)源比較多，如截割電機(jī)、牽引電機(jī)、搖臂、采煤機(jī)行走時(shí)的嚙合振動(dòng);④由于井下作業(yè)，采煤機(jī)搖臂箱受到工作面粉塵、煤塵以及噴水等的影響。

圖1 采煤機(jī)截割部

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，高速區(qū)故障占搖臂齒輪箱總體故障率的42%，主要表現(xiàn)為高速齒輪齒面膠合和擦傷；低速區(qū)故障占總體故障率的30%，主要表現(xiàn)為斷齒以及軸承故障。

2 采煤機(jī)故障分析

2.1 搖臂齒輪箱齒輪故障分析

齒輪工作失效的原因有制造工藝、裝配工藝或者操作維護(hù)不當(dāng)?shù)?。?jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪失效在齒輪箱零部件失效故障中約占60%[4]。

(1)齒面磨損。齒輪在嚙合時(shí)，表面產(chǎn)生的摩擦損傷為齒面磨損。齒面磨損可能造成齒輪改變，增大誤差，降低傳動(dòng)效率，甚至造成斷齒。齒面磨損可以分為腐蝕磨損與磨料磨損。腐蝕磨損是指潤(rùn)滑油中的酸性成分與齒輪產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕。磨料磨損是指潤(rùn)滑油不足、油質(zhì)變質(zhì)或者齒輪表面有金屬顆粒導(dǎo)致劇烈摩擦，加大振動(dòng)和噪聲。

(2)齒面膠合和擦傷。由于潤(rùn)滑條件不合適，使得重載或者高速傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪間油膜破裂，嚙合齒面直接接觸，齒面的金屬熔焊在另一個(gè)齒面上，產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。齒面膠合可以分為冷膠合與熱膠合，冷膠合是由于局部壓力過大，油膜破裂形成；熱膠合則是由于溫度過高，油膜破裂形成的膠合。

(3)齒面接觸疲勞。齒輪嚙合時(shí)有滾動(dòng)與滑動(dòng)，產(chǎn)生切應(yīng)力，在切應(yīng)力的不斷作用下，齒輪局部產(chǎn)生金屬剝落造成點(diǎn)蝕損傷。點(diǎn)蝕損傷一般可以分為麻點(diǎn)疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落。麻點(diǎn)疲勞剝落是指深度小于0.1 mm,直徑小于1 mm 的點(diǎn)蝕、片狀的疲勞損傷；淺層疲勞剝落是指比麻點(diǎn)剝落深、直徑大的剝落損傷；硬化層疲勞剝落是指塊狀剝落，深度達(dá)到硬化層過渡區(qū)。

(4)斷齒。由于嚙合傳動(dòng)時(shí)受到?jīng)_擊載荷等其他原因，導(dǎo)致齒輪強(qiáng)度降低，其根部出現(xiàn)裂紋并逐漸發(fā)展，降低了齒輪的承載能力，產(chǎn)生斷齒。

2.2 搖臂齒輪箱齒軸承故障分析

2.2.1 滾動(dòng)軸承故障機(jī)理分析

滾動(dòng)軸承振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要是由其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和軸承故障，導(dǎo)致軸承損壞。其振動(dòng)機(jī)理如圖2所示。

圖2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)機(jī)理

(1)滾動(dòng)軸承自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的振動(dòng)。滾動(dòng)軸承為回轉(zhuǎn)支承構(gòu)件，當(dāng)受到回轉(zhuǎn)軸載荷時(shí)，其受力根據(jù)位置不同表現(xiàn)為扇形分布。當(dāng)滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，處在最下面的滾動(dòng)體由載荷中心線朝著非載荷中心線的位置移動(dòng)，接觸力從大到小，使得軸頸中心發(fā)生了位移。由于滾動(dòng)體位置的變化，軸頸中心既產(chǎn)生上下方向的微動(dòng)，也產(chǎn)生水平方向的微動(dòng)。由此可知，當(dāng)滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體每經(jīng)過載荷中心線時(shí)其受力就發(fā)生一次改變，即周期性沖擊。

(2)滾動(dòng)軸承故障造成振動(dòng)。如果軸承潤(rùn)滑不良、受力過大，滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈滾動(dòng)體就容易產(chǎn)生剝落、裂紋等損傷，隨著滾動(dòng)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)就會(huì)逐漸產(chǎn)生振動(dòng)。

2.2.2 滾動(dòng)軸承故障分析

(1)磨損失效。潤(rùn)滑條件不好或者潤(rùn)滑油變質(zhì)等原因，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)存在機(jī)械摩擦或者小顆粒磨損，使軸承滾動(dòng)體上產(chǎn)生不均勻劃痕。如果磨損持續(xù)進(jìn)行，軸承游隙變大，接觸表面更加粗糙，甚至旋轉(zhuǎn)精度下降，增大了振動(dòng)與噪音。

(2)疲勞失效。軸承滾動(dòng)體或滾道表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕以及剝落現(xiàn)象。 滾動(dòng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸應(yīng)力會(huì)對(duì)其反復(fù)沖擊，而滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的接觸面小，產(chǎn)生的接觸壓力大，使得軸承元件表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕以及剝落，甚至產(chǎn)生小凹坑，使軸承失效。

(3)斷裂失效。軸承零件通常會(huì)因?yàn)槟ハ骰蛘咻d荷過大而發(fā)生斷裂，有時(shí)候也會(huì)因?yàn)闊崽幚聿坏轿划a(chǎn)生破斷。

(4)壓痕失效。過載、撞擊以及異物進(jìn)入滾道等，造成部件上局部形變的產(chǎn)生。另外，壓痕也可能是因?yàn)檩S承裝配問題造成的。

(5)膠合失效。由于滾動(dòng)體和滾道表面過熱而融合在一起導(dǎo)致的失效。一般發(fā)生在高溫、高速和重載的情況下。

3 結(jié) 語

(1)采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱是傳遞動(dòng)力的裝置，從安裝方式、受力振動(dòng)、工作環(huán)境等方面分析了其易產(chǎn)生故障的原因。

(2)總結(jié)了搖臂齒輪箱齒輪故障的主要形式及故障原因，著重分析了齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞以及斷齒4種失效情況。

(3)總結(jié)了搖臂齒輪箱軸承故障的主要形式及故障原因，著重分析了磨損失效、疲勞失效、斷裂失效、壓痕失效以及膠合失效5種情況。

[1] 王 研,李京文.我國(guó)煤炭消費(fèi)現(xiàn)狀與未來煤炭需求預(yù)測(cè)[J].能源管理，2008,18(3):152-154.

[2] 李 靜,況明生.中國(guó)能源特點(diǎn)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].國(guó)土資源科技管理，2009,26(4):60-64.

[3] 張軍輝.我國(guó)煤礦采煤機(jī)的研制回顧、現(xiàn)狀以及發(fā)展[J].煤礦機(jī)械，2008,29(3):1-3.

[4] 劉宗政,陳 懇,陳振華，等.滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性分析及典型故障診斷[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(3):103-105.

2014-11-11)

許昌忠(1974—)，男，工程師，037041 山西省大同市。