采煤機行走輪齒斷齒原因分析與改進措施研究

王忠民

（大同煤礦集團有限責任公司同家梁礦業(yè)公司，山西大同 037000）

0 引言

在井下煤炭的開采過程中，采煤機的作用尤為重要，因此，對井下作業(yè)而言，其可靠性與安全性影響極其深遠。對于采煤機而言，其外牽引損壞形式主要為行走齒輪的輪齒斷裂，若輪齒出現(xiàn)非正常斷裂，那么不僅會影響設(shè)備正常運行，而且還會因地質(zhì)條件的不斷加劇，從而致使損壞程度更加嚴重。因此，對行走齒輪的斷裂與磨損問題的研究勢在必行。本文基于對大量行走齒輪輪齒斷裂狀況的分析，并結(jié)合有關(guān)文獻，對產(chǎn)生輪齒斷裂因素進行分析，最后在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改善與優(yōu)化措施[1]。

1 行走齒輪損壞現(xiàn)象

對于采煤機而言，行走齒輪不僅是其外牽引的執(zhí)行元件，還是其眾多零部件中最易損壞的一種，因其傳動多為開式，故而其工況條件極為惡劣。通常行走齒輪與銷排嚙合的傳動方式為非共扼嚙合，通過改變嚙合角度實現(xiàn)對牽引力和壓力角的改變。因井下坡度的不同，故而常會致使工作中的行走齒輪隨著采煤機的變化而出現(xiàn)中心距的改變，從而導(dǎo)致其銷排節(jié)距出現(xiàn)偏移或是磨損等狀況，進而造成銷排與行走齒輪的嚙合條件加劇，最終出現(xiàn)齒根斷裂、齒側(cè)剝落以及齒面磨損嚴重等問題[2]。

2 行走齒輪損壞原因分析

基于同種工況下不同行走齒輪與非同種工況下同種行走齒輪的對比，對行走齒輪輪齒斷裂問題進行分析。

2.1 行走齒輪形狀和工藝的影響

據(jù)跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在同種工況下，因不同行走齒輪的不同壽命，從而致使其齒根與齒長在過渡圓角偏小時常會出現(xiàn)斷裂的狀況。對于行走齒輪而言，當其輪齒較長時，常會出現(xiàn)銷排齒座的干擾狀況，不僅如此，還會在嚙合過程中提升相互摩擦，從而導(dǎo)致齒輪轉(zhuǎn)動困難的狀況，最終出現(xiàn)斷裂、磨損以及憋卡等現(xiàn)象；而當齒根的過渡圓角較小時，因齒根強度的降低，故而在其承受較大的彎曲應(yīng)力時常會出現(xiàn)應(yīng)力集中狀況，從而致使斷齒或是裂紋等狀況的出現(xiàn)[3]。

2.2 工況及連接部件的影響

在非同種工況下，對于同種行走齒輪而言，所表現(xiàn)的效果差異極為明顯。當所處施工環(huán)境為刮板輸送機銷排布置平順、巷道平穩(wěn)或是煤層較軟無夾矸時，其使用壽命均相對較長；反之，當煤層的夾矸較多，且較為堅硬時，因其滾筒截齒受力的提升，故而常會致使沖擊載荷的形成，從而導(dǎo)致齒輪磨損狀況的發(fā)生；當行走齒輪進行井下爬坡時，因其不均衡的受力狀況，故而常會出現(xiàn)單行走齒輪的磨損或是壓潰等狀況[4]。

對于行走齒輪而言，其壽命的長短主要取決于銷排的布置狀況與自身質(zhì)量，因多數(shù)銷排均為鑄造件，故而均普遍存在著表面粗糙、圓角和倒角處理不當?shù)葐栴}。在安裝刮板運輸機溜槽時，不僅要確保水平彎曲≤±10，還要保證垂直彎曲≤±30。如果井下的工況或是安裝未達到事前條件，那么將會致使銷排節(jié)距無法實現(xiàn)相互接觸。對于存在傾角的工作面而言，因其坡度使得銷排存在由機尾滑向機頭的趨勢，從而導(dǎo)致接口間隙過小，進而造成接口處節(jié)距過小的問題發(fā)生。

若節(jié)距降低時，將會產(chǎn)生滯后嚙合，且因負荷的提升使得自身出現(xiàn)嚴重變形與壓潰；若過程中存在起伏，那么將會致使銷排與其出現(xiàn)相互撞擊，從而導(dǎo)致設(shè)備壞損。如果增大其節(jié)距，抬升采煤機，則銷排側(cè)板與導(dǎo)向滑靴下鉤將會緊密相連，若導(dǎo)向滑靴發(fā)生磨損現(xiàn)象，將難以保護行走齒輪。

平滑靴主要用于采煤機的支撐以及規(guī)范其行走方向的作用。在具體應(yīng)用中需要接觸到較大的壓力，所以磨損相對較快，若其磨損超過規(guī)定范圍，將會影響采煤機平衡，令其傾斜向煤壁側(cè)，令導(dǎo)向靴與行走齒輪向上傾斜，銷排和行走齒輪之間的嚙合受影響，加快磨損其溝槽，擠壓行走齒輪齒側(cè)，令其磨損進一步加劇。所以，為使行走齒輪壽命有所延長，需要對平滑靴底面磨損情況予以控制[5]。

3 行走齒輪磨損斷裂問題的改進措施

3.1 材料的改進

與廠家合作時，最初選擇40CrNiMo作為行走齒輪所需材料，通過熱處理后，其芯部硬度處于HRC32-35之間，其齒面硬度處于HRC52-56之間，對此，為令其耐磨性有所提升，和廠家協(xié)商后決定將鎢添加在行走齒輪材料內(nèi)，并調(diào)整了其熱處理工藝，最終得到18Cr2Ni4W。表1為上述兩種材料相關(guān)性能對比。

18Cr2Ni4W屬于低碳合金鋼，所以其工序整調(diào)了滲碳環(huán)節(jié)，其表面淬火可以由整體淬火所取代。當其熱處理工藝與材料改變后，其滲碳層深度處于1～2.4 mm之間，其芯部硬度則介于HRC38～HRC42之間，齒面硬度則處于HRC58～HRC62之間[6]。

表1 兩種材料的機械性能

3.2 導(dǎo)向滑靴的改進

導(dǎo)向滑靴在采煤機工作時不僅具有支撐與導(dǎo)向作用，還能在一定程度上保護行走齒輪，所以，當其發(fā)生磨損后對行走齒輪會產(chǎn)生一定影響，致使其下沉，同時嚙合線的位置也會發(fā)生改變，向下移動，若其達到行走齒輪的齒根圓處時會與其承受的扭矩相接近，在磨損其硬化層后，會令該部位產(chǎn)生形變，甚至齒形彎曲。加工導(dǎo)向滑靴后，會令其橫向與縱向之間的間隙得到保障。此外，容易損壞之處還包括其溝槽處，采取焊接耐磨條的方式有利于磨損程度的降低，使行走齒輪得到保障。

3.3 行走齒輪齒形的改進

現(xiàn)如今，擺線與漸開線是行走齒輪較為常見的兩種齒廓形狀，若采煤機功率相對較大，則選擇前者，若功率較小，則選擇后者。例如行走齒輪若屬于大功率線型，便可優(yōu)化其齒根圓與輪齒長度的圓角，令其加工精度有所提升，且能有效避免尖棱尖角與刀痕。使其刮板運輸機與行走齒輪的嚙合性能得到有效改善，沖擊載荷有所減小。

當前齒廓形狀利用新工藝與新材料予以優(yōu)化后得到的新行走齒輪?，F(xiàn)如今，在實際使用過程中已較為常見，其應(yīng)用范圍明顯擴大，并且與之前相比其壽命與性能得到明顯提升，其壽命能夠達到原有3倍[7]。

3.4 其他影響因素的改善

實際上，行走齒輪和銷排齒輪齒條的嚙合原理具有一定相似之處，且行走齒輪壽命與銷排的安裝精度、磨損程度以及表面粗糙程度和齒廓形狀具有一定關(guān)系。所以對銷排進行選擇時，不僅要有較少的缺陷，還應(yīng)具有較高的精度，在安裝時也應(yīng)嚴格依據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范進行，為延長其使用壽命，對行走齒輪、平滑靴以及銷排與導(dǎo)向滑靴等均應(yīng)定期檢查，若發(fā)現(xiàn)有較大磨損，應(yīng)及時進行維修或更換，從而減少或避免其他部件受到影響[8]。

4 結(jié)語

對行走齒輪輪齒斷裂與磨損的原因進行分析時，跟蹤研究了大量采煤機的行走齒輪，并根據(jù)具體原因提出了與之相應(yīng)的解決方案，通過與廠家協(xié)商改進了銷排、導(dǎo)向滑靴與行走齒輪等較為突出的問題，并取得了顯著成效，明顯提高了其使用壽命。然而與井下需求與設(shè)計相比，其實際使用壽命還需進一步提升，若要令其效果達到較為理想的狀態(tài)，應(yīng)對其進一步改進，首先進一步分析嚙合運動整個運動過程，同時根據(jù)井下工作具體環(huán)境對其進行調(diào)整，為安全可靠的運行采煤機提供保障。