基于失效機(jī)制的鏈輪組件優(yōu)化研究

張磊

（兗礦集團(tuán)大陸機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧 272109）

礦用刮板輸送機(jī)由于其機(jī)身矮、可彎曲、運(yùn)輸能力強(qiáng)，能適應(yīng)綜采工作面狹小的作業(yè)空間，使其成為綜采工作面上唯一的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。在刮板機(jī)整機(jī)強(qiáng)度滿足要求的前提下，作為刮板機(jī)核心部件的鏈輪組件性能是保證刮板輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，由此可見鏈輪組件的高性能成為提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素之一。目前鏈輪組件失效主要表現(xiàn)為鏈輪齒面磨損失效、裂損失效、密封失效等。鏈輪齒面磨損是由物料（煤、矸石、巖石等）以及運(yùn)動(dòng)的刮板、圓環(huán)鏈與鏈輪產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成的一種磨粒磨損和金屬件磨損同時(shí)存在的混合式磨損，當(dāng)鏈輪齒面的耐磨損能力不足以持續(xù)抵抗混合式磨損力時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)鏈輪齒面磨損失效；鏈輪的材料、熱處理工藝不能適應(yīng)交變應(yīng)力的反復(fù)作用、局部高應(yīng)力，就會(huì)出現(xiàn)塑性變形，致使鏈輪出現(xiàn)裂紋或缺損，最終導(dǎo)致鏈輪組件裂損失效；軸承置放位置不合理、密封件安裝不當(dāng)、鏈輪偏載、潤(rùn)滑不及時(shí)等都會(huì)導(dǎo)致鏈輪密封失效?？梢娙绾翁岣哝溳喗M件的耐磨性能、強(qiáng)度以及密封問題是當(dāng)前急需解決的問題。

1 鏈輪組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兗礦集團(tuán)大陸機(jī)械有限公司組織人員到兗礦集團(tuán)綜機(jī)中心和國內(nèi)各大礦井綜采隊(duì)、綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)并咨詢采煤一線工人的使用情況和意見、建議，結(jié)合國際刮板機(jī)鏈輪的設(shè)計(jì)情況，在綜合分析研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過計(jì)算， 設(shè)計(jì)了一種新型鏈輪組件（圖1），主要由雙向外花鍵鏈輪軸、自帶潤(rùn)滑孔軸承、分邊對(duì)稱軸承座、耐溫堅(jiān)韌型浮動(dòng)油封、整體鍛造鏈輪體等組成，該鏈輪組件有以下特點(diǎn)。

圖1 鏈輪示意圖

（1）在鏈輪材質(zhì)上，通過化學(xué)成分、碳當(dāng)量、冷裂敏感指數(shù)等理論分析及實(shí)驗(yàn)，最終加入Ni、Mo、Va 等數(shù)種微量元素，形成新的材料配方，同時(shí)優(yōu)化熱處理工藝，使鏈輪體齒面淬火硬度在HRC52 至HRC56 之間，既保證了鏈輪的強(qiáng)度，又增強(qiáng)鏈輪組件的耐磨性能，還避免了因硬度過高而使鏈輪齒易脆斷的情況出現(xiàn)。

（2）在密封形式上，鏈輪組件采用浮動(dòng)密封環(huán)式旋轉(zhuǎn)密封,又稱油膜密封，是一種液體密封件，集浮環(huán)密封、間隙密封盒梳齒密封于一體，并運(yùn)用油膜張力有效阻止泄漏的一種高性能密封。此種密封件由內(nèi)浮環(huán)（高壓環(huán)）、外浮環(huán)（低壓環(huán)）、彈簧、密封圈和防轉(zhuǎn)銷等密封元件組成。浮動(dòng)油封成對(duì)使用，在使用的過程中，浮封環(huán)在油膜壓力作用下，呈現(xiàn)浮動(dòng)狀態(tài)，克服了固定套容易發(fā)生的磨損現(xiàn)象。

（3）鏈輪組件的軸承座分別對(duì)稱置于鑲?cè)牍伟遢斔蜋C(jī)的機(jī)頭架（機(jī)尾架）支撐區(qū)域內(nèi)，既能保證受力狀況好，又能增強(qiáng)對(duì)軸承的保護(hù)，在同等負(fù)載下相對(duì)增加了鏈輪組件的耐沖擊能力。

（4）鏈輪組件采用遠(yuǎn)程注油方式潤(rùn)滑（外置懸掛油箱）。外置油箱懸掛在刮板輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾的擋板上，外置油箱設(shè)有進(jìn)油口和油位口。油箱的進(jìn)油口設(shè)在外置油箱的底部，潤(rùn)滑油經(jīng)外置油箱進(jìn)油口的軟管與鏈輪組件的進(jìn)油口相連，為鏈輪組件及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油。外置油箱頂部設(shè)有油位口，此端口經(jīng)軟管與鏈輪組件的排氣口相連，既能排除鏈輪組件運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的氣泡，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控油箱內(nèi)的潤(rùn)滑油位。鏈輪的雙向外花鍵鏈輪軸內(nèi)有一個(gè)兩端相通的輸油孔，安裝后此孔與鏈輪組件的軸承潤(rùn)滑孔相通，實(shí)現(xiàn)了鏈輪組件的實(shí)時(shí)潤(rùn)滑，解決了困擾綜采工作面用鏈輪組件潤(rùn)滑不及時(shí)的問題，增強(qiáng)了鏈輪組件的使用壽命。

（5）為增強(qiáng)設(shè)備的通用性，減少用戶設(shè)備備件數(shù)量，將鏈輪組件設(shè)計(jì)成雙出軸的形式，即鏈輪組件兩端均為與減速器內(nèi)花鍵相嚙合的外花鍵。此種結(jié)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾鏈輪組件的通用，還實(shí)現(xiàn)了左右工作面用鏈輪組件的通用，增強(qiáng)了鏈輪組件通用性、互換性，減少了用戶對(duì)設(shè)備備件的經(jīng)濟(jì)投入，節(jié)約了成本。

2 利用三維造型實(shí)現(xiàn)重型刮板機(jī)鏈輪數(shù)控編程設(shè)計(jì)及機(jī)械加工研究

（1）根據(jù)兗礦集團(tuán)大陸機(jī)械有限公司現(xiàn)有設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)組織條件和現(xiàn)有設(shè)備的配置情況，結(jié)合鏈輪組件的加工工序等，優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)等資源配置形成了鏈輪三維建模編程流程圖，如圖2 所示。

圖2 鏈輪三維建模編程流程圖

（2）利用兗礦集團(tuán)大陸公司現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、工藝資源，進(jìn)行鏈輪組件的模擬加工過程進(jìn)行仿真加工，分析解決仿真中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過多次試驗(yàn)、模擬最終形成一套符合大陸公司生產(chǎn)實(shí)際的生產(chǎn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)（圖3、4）。

圖3 鏈輪齒形的建模加工過程

圖4 鏈輪模擬切削與實(shí)際加工的偏差值

（3）鏈輪齒形的熱處理。為保障鏈輪齒面性能，兗礦集團(tuán)大陸機(jī)械有限公司特別研制了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鏈輪齒面熱處理裝置，該裝置包括電源、變壓器、感應(yīng)加熱器和冷卻系統(tǒng)。變壓器的一端與所述電源電連接，另一端與所述感應(yīng)加熱器電連接，所述感應(yīng)加熱器包括由銅管多匝纏繞而成的輪齒狀線圈殼體，并且相鄰所述銅管之間設(shè)有可調(diào)節(jié)的空隙，所述線圈殼體內(nèi)部具有供所述鏈輪的輪齒插入的空腔，所述銅管的橫截面為矩形。

通過以上措施、研究出更加合理的鏈輪結(jié)構(gòu)和加工工藝，使鏈輪的硬度達(dá)到HRC52 至HRC56 之間，有效淬硬層深度超過13mm，提高了鏈輪組件的強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性，借以延長(zhǎng)鏈輪的使用壽命（圖5）。

圖5 鏈輪淬火示意圖

3 結(jié)語

采用以上方法研制的礦用刮板輸送機(jī)鏈輪，結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度充足有余，便于維護(hù)、運(yùn)行平穩(wěn)，提高了刮板輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性，能很好地滿足煤礦高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。