WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置早期失效分析

王樹兵

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特市026000）

WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置早期失效分析

王樹兵

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特市026000）

闡述了WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及其工作原理，并對WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滾動裝置關(guān)鍵零部件的使用情況進(jìn)行了分析。找到了可能導(dǎo)致WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置零部件異常失效的各種原因，并有針對性地提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，同時提供了回轉(zhuǎn)大齒圈開裂的焊修方案。

滾動裝置；失效；分析；措施

0 引言

電鏟作為大型化采裝設(shè)備已被國內(nèi)外露天礦山廣泛應(yīng)用，該類型設(shè)備的各個動作均是由原動機(jī)、傳動部件、執(zhí)行部件以及控制系統(tǒng)共同組成配合完成。太原重工股份有限公司生產(chǎn)的WK-35電鏟是該公司的主要采掘設(shè)備，運(yùn)行臺數(shù)已經(jīng)達(dá)到6臺，它可與載重量為172～263 t的礦用自卸汽車相配套，適用于年產(chǎn)量1 500萬t以上的大型露天礦山的巖石剝離和物料采裝作業(yè)。該類電鏟執(zhí)行部件中的回轉(zhuǎn)滾動裝置屬于整個設(shè)備機(jī)械零部件中的關(guān)鍵部件，因其單獨(dú)檢修更換的難度性較大、停機(jī)時間較長，配件造價昂貴等因素，需在設(shè)備投運(yùn)后從操作、檢查、維護(hù)等方面予以特別關(guān)注，現(xiàn)根據(jù)該公司1臺WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的使用情況及早期出現(xiàn)的回轉(zhuǎn)滾動部件失效情況進(jìn)行分析總結(jié)。

1 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及工作原理

WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由并聯(lián)且各自獨(dú)立的2套回轉(zhuǎn)電動機(jī)、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、回轉(zhuǎn)立軸、回轉(zhuǎn)小齒輪和與之嚙合配套的回轉(zhuǎn)大齒圈、上下環(huán)軌、輥盤等零部件組成，2套回轉(zhuǎn)裝置分別安裝在回轉(zhuǎn)平臺的前后兩端以平衡載荷。回轉(zhuǎn)電動機(jī)、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、回轉(zhuǎn)制動器都安裝在回轉(zhuǎn)平臺的上部，其余的各零部件均安裝在回轉(zhuǎn)平臺的下部。上下環(huán)軌、輥盤、輥子、回轉(zhuǎn)齒輪和連接件組成了機(jī)器的滾動系統(tǒng)。

整個電鏟的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由2臺回轉(zhuǎn)電機(jī)提供動力，每臺回轉(zhuǎn)電動機(jī)的頂部安裝1個帶彈簧的氣動盤式制動器，用于電鏟停機(jī)后的制動，避免回轉(zhuǎn)平臺自由轉(zhuǎn)動。電機(jī)直接安裝在回轉(zhuǎn)減速機(jī)箱體上方，減速機(jī)通過二級傳動將回轉(zhuǎn)電機(jī)的扭矩傳遞到回轉(zhuǎn)立軸上，回轉(zhuǎn)立軸上的小齒輪與位于底架上方的回轉(zhuǎn)大齒圈嚙合，通過輥盤及上下環(huán)軌的滾動配合使整個回轉(zhuǎn)平臺及其上車部件圍繞中央樞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各部件的使用情況

WK-35電鏟回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在日常裝車過程中需不斷來回轉(zhuǎn)動，使用頻率較高，但回轉(zhuǎn)受力均勻，實際工作中一般不會受到?jīng)_擊載荷，因此理論上回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各部件應(yīng)均勻磨損，理論使用壽命較長。

回轉(zhuǎn)電動機(jī)是交流變頻雙軸伸立式強(qiáng)迫風(fēng)冷電動機(jī)，功率為450 kW，轉(zhuǎn)速為965 r/min,電機(jī)軸伸上端安裝著一個帶彈簧的氣動盤式制動器，電機(jī)軸伸下端通過彈性齒式聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)減速機(jī)輸入軸相聯(lián)。它是整個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力源，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)歷年WK-35電鏟回轉(zhuǎn)電機(jī)使用和保養(yǎng)情況來看，電機(jī)主要受軸承壽命影響，一般在25 000～35 000 h需對電機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)。

回轉(zhuǎn)減速機(jī)屬于二級減速傳動，它包括一級普通平行軸直齒輪傳動和一級行星齒輪傳動，均采用硬齒面直齒輪傳動[1]，末級傳動的行星架的花鍵孔和回轉(zhuǎn)立軸聯(lián)接。日常裝車過程中需不斷來回回轉(zhuǎn)，使用頻率較高，但該減速機(jī)受力均勻，實際工作中不會受到?jīng)_擊載荷，因此回轉(zhuǎn)減速機(jī)齒輪也未出現(xiàn)過較大的內(nèi)部損傷。

回轉(zhuǎn)立軸是回轉(zhuǎn)減速機(jī)末級傳動的輸出軸，采用簡支梁的結(jié)構(gòu)形式[2]，下端軸承位于回轉(zhuǎn)平臺上的軸承殼內(nèi)，端部采用軸承壓蓋進(jìn)行軸向定位，中間與回轉(zhuǎn)平臺之間有承重軸肩和隔套，末端通過花鍵聯(lián)接回轉(zhuǎn)小齒輪，經(jīng)過回轉(zhuǎn)二級減速后在此輸出的扭矩增大，所受交變應(yīng)力變大，壽命較以上部件有所縮短。

回轉(zhuǎn)大齒圈是大型鑄造外齒輪，兩半對接式結(jié)構(gòu)，與底架梁之間采用鑲嵌抗剪定位套、螺栓連接，其對接口位置設(shè)計安裝在兩履帶架中間工作裝車位置，安裝后前后對接口進(jìn)行焊接打磨。由于該位置是WK-35電鏟完成重載挖掘開始回轉(zhuǎn)的啟動位置，這造成了對接口長時間受力開裂的缺陷，如發(fā)現(xiàn)不及時造成齒牙開放式斷裂將給焊修工作帶來一定難度，尤其是冬季室外焊修受環(huán)境溫度影響較大，焊接時的溫度保持尤其困難，且焊修后再次開裂的運(yùn)行小時明顯縮短。

輥盤裝置為獨(dú)立部件，輥盤裝置采用無邊圓錐形輥子結(jié)構(gòu)，由54個圓錐形輥子、輥架、銷軸、尼龍?zhí)?、墊等組成。圓錐形輥子在滾動中相對環(huán)軌只做純滾動而不產(chǎn)生滑動，避免了圓錐輥子所產(chǎn)生滑動造成的磨損，通常情況下磨損均勻，使用壽命較長。

上下環(huán)軌是高合金鋼鍛造加工調(diào)質(zhì)件[4]。上環(huán)軌在回轉(zhuǎn)平臺的下部，采用支口定位，壓板壓合的結(jié)構(gòu)，下環(huán)軌在底架梁上，利用大齒圈的內(nèi)部加工面定位，工作面為錐形截面。兩履帶架中間工作裝車位置處的環(huán)軌磨損較其他部位較多。

中央樞軸是回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)中心軸，調(diào)節(jié)中央樞軸頂部的樞軸螺母，可以補(bǔ)償環(huán)軌、輥子以及中央樞軸球面墊圈、止推墊圈的磨損，調(diào)節(jié)的目的是防止上部機(jī)構(gòu)的過度傾斜。此軸為全壽命設(shè)計周期，穩(wěn)定性較好。

整體來說，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)各部件在潤滑良好的狀態(tài)下能夠保證一個大修周期（40 000～50 000 h）的使用壽命。1臺WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置出現(xiàn)了早期失效，現(xiàn)就其失效原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出避免早起磨損的合理化方案。

3 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的失效分析

2016年3月1105#WK-35電鏟在運(yùn)行至20 170 h出現(xiàn)回轉(zhuǎn)大齒圈輪齒掰齒、上下環(huán)軌磨損、輥子點(diǎn)蝕剝落故障，以上故障的出現(xiàn)，具有一定典型性。

3.1 上下環(huán)軌及回轉(zhuǎn)輥子失效分析

電鏟正常回轉(zhuǎn)工作時，回轉(zhuǎn)滾動裝置（包括上環(huán)軌、下環(huán)軌和輥子）及其下部組件（底架及以下）只承受物料重力及其上部組件自身的重力，作用力及其位置固定不變。設(shè)計時，確保電鏟在空斗回轉(zhuǎn)和滿斗回轉(zhuǎn)時，上述作用力的合力作用位置位于環(huán)軌輥圈（外徑）之內(nèi)，并盡可能靠近回轉(zhuǎn)中心。此時中央樞軸不受力，54個輥子全部受力，只是受力大小不同。與合力作用點(diǎn)同側(cè)的輥子和環(huán)軌受力大；與合力作用點(diǎn)異側(cè)的輥子和環(huán)軌受力小。此工況下環(huán)軌和輥子之間的相互作用力分布及其分配相對較均勻，回轉(zhuǎn)裝置零部件受力狀況良好，無極端惡劣工況。

電鏟挖掘時，起初，回轉(zhuǎn)滾動裝置及其下部組件只承受挖掘阻力、物料重力及其上部組件自身的重力，其中：上部組件自身的重力及其作用位置是恒定不變的，挖掘阻力和物料重量是隨時變化的，因此，上述外力作用下的合力在垂直方向的分量的大小和作用位置也是隨時變化的，WK-35電鏟回轉(zhuǎn)裝置受力分析如圖1所示。

同樣，當(dāng)合力作用點(diǎn)位于環(huán)軌輥圈（外徑）之內(nèi)時，中央樞軸不受力，54個輥子全部受力，只是受力大小不同。與合力作用點(diǎn)同側(cè)的輥子和環(huán)軌受力大；與合力作用點(diǎn)異側(cè)的輥子和環(huán)軌受力小。

當(dāng)物料重力和挖掘阻力逐漸增大時，合力作用點(diǎn)將超出環(huán)軌輥圈（外徑）之外，對回轉(zhuǎn)平臺及其上部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個較大的傾覆力矩。此時，中央樞軸開始受拉力，并對回轉(zhuǎn)平臺及其上部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個復(fù)原力矩，以求系統(tǒng)平衡。

圖1 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)裝置受力分析

中央樞軸球面墊處存在必要的間隙。在此惡劣挖掘工況時，就可能直接導(dǎo)致上環(huán)軌后段下軌面與后部輥子上表面脫離接觸，出現(xiàn)部分輥子不受力，部分輥子受力較大的情況。中央樞軸球面墊處間隙越大，回轉(zhuǎn)平臺及其上部機(jī)構(gòu)翹起越嚴(yán)重，有效承受外力的輥子數(shù)量越少，輥子及環(huán)軌的局部接觸應(yīng)力越大，造成了輥子和環(huán)軌的早期失效。

54個輥子可以輪流承受較大的載荷；而環(huán)軌，尤其是始終處于受力最大位置的前段上環(huán)軌長期承受著極大的、超出額定負(fù)載幾倍的作用力，是導(dǎo)致其出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象的主要原因。

長期超角度（大于5°）偏坡挖掘是導(dǎo)致輥子和環(huán)軌早期失效的另一個原因。長期在大于5°的斜坡上執(zhí)行挖掘作業(yè)大大增加了輥子和環(huán)軌承受極端惡劣負(fù)載的幾率，加大了負(fù)載的應(yīng)力峰值，嚴(yán)重影響了輥子和環(huán)軌的使用壽命。長期超角度偏坡挖掘還對減速箱密封、齒輪潤滑和減速機(jī)潤滑系統(tǒng)的正常工作帶來較大的安全隱患；對中央樞軸、中央樞軸銅套、回轉(zhuǎn)立軸、回轉(zhuǎn)立軸軸承、回轉(zhuǎn)小齒輪、回轉(zhuǎn)大齒圈等帶來不利的影響。

3.2 回轉(zhuǎn)大齒圈失效分析

早期投運(yùn)的WK-35電鏟回轉(zhuǎn)大齒圈是直徑為Φ5 200 mm鑄造外齒輪，因早期工藝設(shè)備限制，齒圈整體鑄造后將其切割進(jìn)行后期熱處理加工，其對接口位置設(shè)計安裝在兩履帶架中間的工作裝車位置，安裝后進(jìn)行焊接打磨保證整體一致性，但該位置是WK-35電鏟完成重載挖掘開始回轉(zhuǎn)的啟動位置，接口處輪齒所受扭矩最大，齒牙受力也是最大。此設(shè)計易導(dǎo)致齒圈焊縫開裂，進(jìn)而導(dǎo)致大齒圈的局部剛性急劇變?nèi)?，工作中輪齒受到較大沖擊載荷時致使齒牙發(fā)生突然斷裂故障[3]。

另外，上下環(huán)軌局部異常磨損導(dǎo)致回轉(zhuǎn)過程中平臺發(fā)生一定角度傾斜，回轉(zhuǎn)大小齒輪嚙合異常，進(jìn)一步加劇大齒圈掰齒故障的機(jī)率。

4 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的失效預(yù)防措施

分析此臺WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的早期失效得知，回轉(zhuǎn)滾動裝置中回轉(zhuǎn)大齒圈從材質(zhì)選型、對接位置設(shè)計上存在缺陷外，該故障的出現(xiàn)主要?dú)w咎為電鏟長期超載荷、超角度偏坡挖掘以及中心軸間隙調(diào)整不及時等綜合因素導(dǎo)致環(huán)軌磨損、輥子點(diǎn)蝕，致使電鏟平臺回轉(zhuǎn)過程中傾斜回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)大小齒輪嚙合異常，加劇大齒圈輪齒掰齒現(xiàn)象的發(fā)生。因此，針對回轉(zhuǎn)滾動裝置需從設(shè)計上予以改進(jìn)，操作維護(hù)中予以規(guī)范，維修時予以調(diào)整，具體提出以下幾點(diǎn)預(yù)防措施：

1）對堅硬的物料挖掘前需進(jìn)行必要的爆破，減少挖掘沖擊惡劣負(fù)載的幾率。

2）司機(jī)在電鏟正前方進(jìn)行挖掘操作時，遇到硬巖時應(yīng)緩慢提升，挖滿鏟斗執(zhí)行滿斗回轉(zhuǎn)時應(yīng)當(dāng)緩慢啟動回轉(zhuǎn)動作，避免給工作位置處環(huán)軌及齒輪傳動副造成過大的沖擊負(fù)荷；同理，空斗回轉(zhuǎn)至電鏟正前方時也應(yīng)當(dāng)緩慢制動。

3）作業(yè)挖掘過程中每2 h進(jìn)行1次電鏟360°全回轉(zhuǎn)或采用雙邊裝車工作法，以使回轉(zhuǎn)輥子磨損均勻、正常。

4）嚴(yán)禁長期大角度偏頗挖掘作業(yè)，盡量控制在5°以下為最好。

5）及時、合理地調(diào)整中央樞軸球面墊處間隙。WK-35電鏟中央樞軸鎖緊螺母螺距為25.4 mm。螺母每旋轉(zhuǎn)15°即可固定一個位置，故其最小調(diào)整步長為1.058 3 mm。經(jīng)放樣分析，中央樞軸處間隙與后部輥子與上環(huán)軌表面之間的間隙呈線性關(guān)系，其比率約為1.65，可依據(jù)上述關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。

6）定期檢查兩半式齒圈對接焊縫是否存在開裂現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，及時焊修。

7）根據(jù)工作負(fù)載情況，可考慮適當(dāng)調(diào)整配重。

8）電鏟大修時將回轉(zhuǎn)齒圈進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)安裝，將對接口移開挖掘工作位。

9）電鏟大修時更換整體鍛造式回轉(zhuǎn)大齒圈。

采取以上預(yù)防措施后可有效延長各礦山在用WK-35電鏟及同類設(shè)備回轉(zhuǎn)裝置的使用壽命，降低維修成本，提高設(shè)備出動效率。

5 WK-35電鏟回轉(zhuǎn)大齒圈開裂修復(fù)工藝方案

WK-35電鏟兩半式回轉(zhuǎn)大齒圈結(jié)構(gòu)注定其對接口易開裂導(dǎo)致的齒牙斷裂故障，且接口附近的齒牙也易出現(xiàn)細(xì)微裂紋，針對齒牙開裂及局部掰齒現(xiàn)象，由于更換整個齒圈工程量比較大，停機(jī)時間較長，費(fèi)用較高等因素，可采取焊修方案予以修復(fù)繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)針對不同的開裂現(xiàn)象給予相應(yīng)的焊修方案，具體焊接參數(shù)和焊修工藝見表1[8]：

表1 WK-35電鏟鑄造回轉(zhuǎn)大齒圈焊接參數(shù)

大齒圈材質(zhì)：WKZG30CrNi2Mo

焊接時的工藝要點(diǎn)除了保證預(yù)熱溫度，控制層間溫度，逐層對側(cè)焊接外，最主要的是需要建立用E7018焊條堆焊層的過渡層[7]。

由于大齒圈內(nèi)奧氏體化元素Cr、Ni的含量較高,在齒圈上堆焊焊條,其實質(zhì)已是異種鋼焊接行為,而碳遷移過渡層是異種鋼焊接必然產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，往往是造成異種鋼焊接接頭早期破壞的重要原因之一[5]，因此在齒圈上堆焊一層E7018焊道作為過渡層。此過渡層中含有比母材更多的強(qiáng)碳化物形成元素，并使淬硬傾向減小，還能減少擴(kuò)散層尺寸。最重要的是利用過渡層可以減少產(chǎn)生裂紋的危險性。過渡層的位置介于齒圈上的斷口和E9018焊條堆焊的熔敷金屬之間厚度一般為10.0～12.8 mm。過渡層強(qiáng)度一般較低，故稱為軟質(zhì)過渡層或軟質(zhì)隔離焊道，其作用在于控制層狀撕裂[6]。

實踐證明，采用正確的焊接修復(fù)工藝既簡便快捷，又能保證一定時期內(nèi)的齒圈力學(xué)使用性能。

6 結(jié)語

總之，WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置部件的早期失效是綜合原因造成。為了防止WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的異常失效，除了要考慮更換整體鍛造大齒圈，提高配件質(zhì)量外，還需從操駕水平、鏟臥工作面的質(zhì)量、中央樞軸球面墊間隙的及時調(diào)整等方面進(jìn)行控制。通過分析優(yōu)化裝車方案，縮短回轉(zhuǎn)滾動裝置的檢查調(diào)整周期，總結(jié)大齒圈裂紋焊修經(jīng)驗形成有效焊修工藝等措施，保證了其他WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的正常使用，同時積累了維護(hù)WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置的寶貴經(jīng)驗，為其他礦山工程技術(shù)人員提供了一定借鑒和幫助。

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【責(zé)任編輯：陳毓】

Early failure analysis of WK-35 excavator rotary rolling device

WANG Shubing
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)

This article describes the structure and working principle of WK-35 excavator slewing mechanism,analyzes the use condition of rolling device key components of WK-35 excavator slewing mechanism,finds out the failure reasons of WK-35 excavator rotary rolling device,presents the corresponding preventive measures,and provide a rotating ring gear crack welding repair plan.

rolling device;failure;analysis;measure

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）08－0053－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.015

王樹兵.WK-35電鏟回轉(zhuǎn)滾動裝置早期失效分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：53-56.

2017-03-27

王樹兵（1981—），內(nèi)蒙古烏蘭察布人，本科，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事露天煤礦設(shè)備維修技術(shù)管理工作。