礦用鉸接四驅(qū)車輛過橋結(jié)構(gòu)可靠性提升方法研究

郝明銳

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 存在問題

防爆無軌膠輪車作為煤礦無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的主要設(shè)備，其在煤礦生產(chǎn)中的推廣使用極大提高了生產(chǎn)效率，降低了事故發(fā)生率，在減人增效、提高安全等方面，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。煤礦井下多粉塵、煤泥和積水，路面狀況惡劣，對車輛的通過能力、轉(zhuǎn)彎半徑和附著能力要求較高，鉸接四驅(qū)型防爆無軌膠輪車因路況適應(yīng)能力強(qiáng)，整機(jī)穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)向靈活方便，轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)，被廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用該類車型的礦井有500余處，總量超過4000輛[2-4]。

該車型的前后機(jī)架通過中央鉸接裝置連接，為實(shí)現(xiàn)鉸接前后的動(dòng)力傳輸，在中央鉸接點(diǎn)附近設(shè)有傳動(dòng)過橋。常用的過橋結(jié)構(gòu)對裝配質(zhì)量及安裝精度要求較高，且在車輛行駛過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生過橋軸承損毀，過橋軸損壞的現(xiàn)象，如圖1所示。確定過橋軸承損壞原因，提高過橋結(jié)構(gòu)可靠性對降低車輛維護(hù)成本，延長車輛使用壽命具有重要意義。

圖1 過橋結(jié)構(gòu)的常見損毀情況

2 車輛過橋的組成結(jié)構(gòu)

鉸接型四驅(qū)防爆膠輪車由前后兩部分機(jī)架組成，通過中央鉸接裝置連接。防爆柴油機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過變矩器到達(dá)變速箱后再分別傳遞給前、后驅(qū)動(dòng)橋，動(dòng)力在通過鉸接位置時(shí)需經(jīng)過橋軸傳遞，如圖2所示。為適應(yīng)煤礦井下的惡劣路況，鉸接四驅(qū)防爆車輛在中央鉸接位置靠近后機(jī)架處安裝了回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)車輛在行駛過程中的左右擺動(dòng)[5-10]。

圖2 鉸接四驅(qū)車型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖

1—回轉(zhuǎn)鉸接座；2—調(diào)整墊片；3—過橋軸承；4—過橋軸；5—回轉(zhuǎn)軸承；6—后機(jī)架圖3 回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)布置圖

回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，過橋組件通過螺栓固定在回轉(zhuǎn)鉸接座上，過橋軸從回轉(zhuǎn)鉸接座中心穿過。該布置形式結(jié)構(gòu)緊湊，左右擺動(dòng)靈活，路況適應(yīng)性好，在礦用鉸接四驅(qū)型防爆車輛中普遍采用。但由于過橋組件整個(gè)包裹在回轉(zhuǎn)鉸接座中，裝配完成后加工精度及裝配質(zhì)量難以檢驗(yàn)，使用過程中輕微故障很難發(fā)現(xiàn)，常因處理不及時(shí)導(dǎo)致過橋軸和軸承損毀，需更換整個(gè)過橋組件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)的損壞。

3 過橋故障原因分析

3.1 車輛臺(tái)架運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

通過進(jìn)行車輛臺(tái)架運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，利用熱成像儀可記錄在不同車速下過橋處的溫度變化情況，為判斷故障原因提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。選取10臺(tái)安裝上述過橋結(jié)構(gòu)的車輛進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，分別以不同檔位的車速運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)車輛臺(tái)架運(yùn)行相關(guān)參數(shù)見表1，觀察并記錄過橋處的溫升情況。

表1 實(shí)驗(yàn)車輛臺(tái)架運(yùn)行相關(guān)參數(shù)

選取故障情況比較嚴(yán)重的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其過橋處溫度變化曲線如圖4所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)車輛在低速檔運(yùn)行時(shí)，過橋組件溫升較為平緩，運(yùn)行20min后溫度趨于平穩(wěn)；而當(dāng)車輛在高速檔位連續(xù)運(yùn)行時(shí)，過橋組件溫升劇烈，其溫度短時(shí)間內(nèi)超過100℃，且沒有緩和趨勢，繼續(xù)運(yùn)行甚至超過200℃。此時(shí)過橋處密封已經(jīng)失效，潤滑油脂溢出蒸發(fā)，如圖5所示。繼續(xù)運(yùn)行，過橋軸承損毀。

圖4 過橋溫度隨車速的變化曲線

圖5 過橋在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的熱成像圖

3.2 故障原因分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合過橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析可得：因過橋組件包含在回轉(zhuǎn)鉸接座中，散熱條件差，當(dāng)車輛在高速檔位運(yùn)行時(shí)，過橋軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，若在裝配時(shí)過橋組件安裝過緊，軸承安裝間隙不足，或潤滑油脂加注不當(dāng)，當(dāng)軸承發(fā)熱后膨脹量超過預(yù)留間隙，會(huì)發(fā)生脹死現(xiàn)象，其內(nèi)圈和過橋軸軸承安裝面發(fā)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)熱加劇，溫度劇烈升高。當(dāng)溫升超過過橋組件中密封件可承受溫度，過橋處密封失效，潤滑油脂溢出蒸發(fā)，潤滑失效，持續(xù)高速運(yùn)行則會(huì)導(dǎo)致過橋軸承損毀，過橋組件故障。

4 改進(jìn)方法及效果驗(yàn)證

回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)和過橋組件的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，加工精度要求較高，若更改機(jī)械結(jié)構(gòu)，則需對現(xiàn)有組件進(jìn)行重新加工，改造周期長、成本高。通過增大過橋軸向安裝間隙以及更換大游隙軸承的方法對過橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，可在避免修改機(jī)加件的同時(shí)有效提升過橋結(jié)構(gòu)的可靠性。

4.1 增大過橋軸向安裝間隙

實(shí)驗(yàn)車輛的過橋組件結(jié)構(gòu)如圖6所示，該結(jié)構(gòu)中預(yù)留的軸承軸向竄動(dòng)間隙可通過改變調(diào)整墊片(序號(hào)2)的厚度來實(shí)現(xiàn)。原本結(jié)構(gòu)中的調(diào)整墊片厚度為0.8mm，為驗(yàn)證是否因軸承軸向間隙不足而導(dǎo)致其受熱膨脹后漲緊而產(chǎn)生故障，實(shí)驗(yàn)通過增加調(diào)整墊片的數(shù)量，由1片增加到3片，使預(yù)留的軸向間隙增加到2.4mm。

1—安裝法蘭；2—調(diào)整墊片；3—過橋軸承；4—過橋軸；5—軸承端蓋；6—骨架密封圖6 實(shí)驗(yàn)車輛過橋組成結(jié)構(gòu)(mm)

增大軸承軸向安裝間隙后對車輛進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。過橋溫升情況雖然稍有改善，但持續(xù)高速運(yùn)行時(shí)過橋處溫度依舊過高，運(yùn)行中仍然發(fā)生軸承損壞的故障。繼續(xù)增大軸向間隙，過橋溫升沒有好轉(zhuǎn)，且間隙過大會(huì)增加軸承軸向竄動(dòng)量，擴(kuò)大其振動(dòng)和磨損。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：過橋軸承預(yù)留的軸向竄動(dòng)間隙不足不是產(chǎn)生故障的主要原因。

4.2 更換大游隙組軸承

該過橋結(jié)構(gòu)中軸承的徑向安裝間隙無法調(diào)整，由軸承本身的徑向游隙所決定。為驗(yàn)證故障是否由軸承徑向間隙不足引起，需對軸承進(jìn)行更換。過橋組件中原軸承為6312型深溝球軸承(GB/T 276—1994)。根據(jù)滾動(dòng)軸承徑向游隙標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4604—1993，可通過選用同型大游隙組軸承來實(shí)現(xiàn)增大其徑向游隙的目的，同時(shí)因軸承安裝尺寸保持不變，避免了對過橋軸進(jìn)行再加工。原結(jié)構(gòu)中采用CN標(biāo)準(zhǔn)組(0組游隙)6312軸承，其游隙值為8～28μm，其同型C3(第3組)，C4(第4組)軸承徑向游隙值相應(yīng)增大，見表2。

表2 圓柱型內(nèi)孔深溝球軸承游隙(軸承內(nèi)徑為50～65mm)

將實(shí)驗(yàn)車輛的過橋軸承更換為6312-C3(GB/T 276—1994)第3組游隙軸承后，進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，其過橋溫升變化曲線如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：同更換軸承前相比，使用第3組游隙6312軸承的車輛在運(yùn)行過程中過橋溫升情況得到顯著改善，尤其在高速檔位運(yùn)行時(shí)，過橋處溫升過程平緩，能夠較長時(shí)間穩(wěn)定在軸承及密封件正常工作允許的范圍內(nèi)，沒有發(fā)生損壞現(xiàn)象。過橋在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)溫度分布較之前均勻，潤滑油脂無溢出現(xiàn)象，同時(shí)車輛運(yùn)行時(shí)的噪聲、振動(dòng)等指標(biāo)也有明顯改善，如圖8所示。

圖7 改進(jìn)后過橋溫度變化曲線

圖8 改進(jìn)后高速運(yùn)行時(shí)過橋熱成像圖

5 結(jié) 語

鉸接四驅(qū)型防爆無軌膠輪車作為煤礦輔助運(yùn)輸?shù)闹匾囆?，市場保有量較大，其過橋結(jié)構(gòu)在礦方使用過程中故障率高，可靠性低的情況較為突出。本文提出了通過增大過橋軸向安裝間隙和更換大游隙組軸承來對過橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的方法。該方法無需更改回轉(zhuǎn)鉸接機(jī)構(gòu)和過橋組件的原有結(jié)構(gòu)，無需對原有機(jī)加件進(jìn)行再加工，改造成本低、速度快，改造后過橋在高速運(yùn)行時(shí)的溫升情況得到明顯改善，提高了過橋結(jié)構(gòu)的可靠性，延長了使用壽命，同時(shí)降低了過橋結(jié)構(gòu)對裝配精度的要求，消除了潛在的安全隱患，可在生產(chǎn)及維修過程中進(jìn)行推廣。