采煤機(jī)行走部齒輪故障分析與診斷

張繼軍

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

0 引言

隨著機(jī)械設(shè)備故障診斷水平提升，降低了因機(jī)械故障引起的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡。采煤機(jī)是煤炭產(chǎn)業(yè)常用的機(jī)械設(shè)備，由于煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采煤機(jī)種類多種多樣，功能更加齊全[1]。采煤機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，行走部是其故障高發(fā)部件。采煤機(jī)發(fā)生故障，必須暫停煤礦生產(chǎn)工作，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

1 齒輪故障類型

齒輪是傳遞動(dòng)力的主要機(jī)構(gòu)，因材料、工作條件等方面影響，齒輪故障形式也有所不同。

（1）齒面耗損。潤滑油清潔度低或者油量偏少，極易出現(xiàn)齒面磨損問題，導(dǎo)致齒廓有一定改變，甚至因過度磨損而出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。齒面磨損主要包含正常磨損、表面磨損和干涉磨損等3 種情況。正常磨損是指在使用齒輪初期，發(fā)生緩慢且無法避免的磨損，縮短齒輪使用壽命，嚴(yán)重影響齒輪運(yùn)行性能。表面磨損是指因潤滑油性能不佳，其性能隨之下降，摩擦系數(shù)有一定程度提高，使得齒輪表面磨損速度更快，造成齒廓出現(xiàn)變形現(xiàn)象[2]。干涉磨損是指齒頂以及齒根部位出現(xiàn)磨損，在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致齒根位置出現(xiàn)溝槽。此外，因潤滑油混合雜質(zhì)，當(dāng)齒輪嚙合存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，使得齒面材料發(fā)生錯(cuò)位，加上受到化學(xué)物質(zhì)腐蝕，使得齒面出現(xiàn)剝蝕，導(dǎo)致齒面整體存在凹痕或者晶界遭受氧化，齒面部分位置存在紅棕色銹跡。齒輪進(jìn)行熱處理過程中，因受到氧化而導(dǎo)致齒輪表面存在不規(guī)則凸起的現(xiàn)象。

（2）塑性變形。塑性變形是指出現(xiàn)無法恢復(fù)成原狀的永久性變形。通常情況下，如果齒輪處于重載，齒面因材料屈服，導(dǎo)致齒輪發(fā)生永久性變形。深入分析原因可知，齒面遭受較大應(yīng)力。因此，故障大多出現(xiàn)在頻繁啟動(dòng)的系統(tǒng)中。此外，全齒、局部折斷分別出現(xiàn)在直齒輪、斜或者錐齒輪中。導(dǎo)致齒輪折斷的因素多種多樣，例如，齒輪安裝精度不足、齒輪發(fā)生松動(dòng)、齒面精度不足等。另外，齒輪在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于機(jī)器零件溫度過高，導(dǎo)致齒輪發(fā)生塑性變形，使得齒輪強(qiáng)度明顯降低。同時(shí)，在循環(huán)載荷的不良影響下，齒輪裂紋會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生折斷。采煤機(jī)行走輪強(qiáng)度、抗負(fù)荷能力是確保其正常運(yùn)行的關(guān)鍵，如果行走輪強(qiáng)度較低，會(huì)使得無法承載其正常工作負(fù)荷。行走輪強(qiáng)度過高，會(huì)使得行走輪出現(xiàn)硬度過高的情況，導(dǎo)致行走輪出現(xiàn)非正常斷裂。

（3）膠合。重載或齒輪處在高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，其表面溫度過高，如果使用的潤滑劑不良，各齒輪表面的油膜會(huì)隨之消失，導(dǎo)致一個(gè)齒輪表面焊接與另一個(gè)齒輪相嚙合。在這種情況下，齒面上容易出現(xiàn)劃痕狀膠合。齒面膠合極易導(dǎo)致齒面出現(xiàn)強(qiáng)烈的磨損，造成傳動(dòng)不穩(wěn)定，引起齒輪報(bào)廢。為解決以上問題，相關(guān)人員可減小齒輪模數(shù)，采用抗膠合的潤滑油，均能有效預(yù)防齒面膠合故障發(fā)生。

（4）出現(xiàn)裂縫及裂紋。齒輪受到熱處理、磨削不當(dāng)、應(yīng)力大等因素影響，均容易出現(xiàn)裂縫或裂紋問題。此外，齒輪實(shí)施熱處理過程中，由于內(nèi)應(yīng)力大，容易發(fā)生裂紋，這種情況在淬火階段最為常見[3]。

2 齒面嚴(yán)重磨損的原因分析

采煤機(jī)單牽引運(yùn)行中容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損問題，這是由于采煤機(jī)僅有一側(cè)處在正常運(yùn)行狀態(tài)，另一側(cè)并未給采煤機(jī)行走提供所需動(dòng)力。采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，只有一組行走部位可以承擔(dān)相應(yīng)的行走動(dòng)力，導(dǎo)致行走部相關(guān)部件承受較大載荷，造成齒輪嚙合面出現(xiàn)較大摩擦，使得驅(qū)動(dòng)輪行走輪齒出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

（1）單側(cè)行走部因行走部與牽引部支持動(dòng)力傳遞的花鍵軸損壞。由于牽引部提供的行走動(dòng)力無法傳遞至行走部齒輪上，從而出現(xiàn)另一側(cè)行走部單牽引采煤機(jī)處在運(yùn)行狀態(tài)。采煤機(jī)配置的2 臺(tái)牽引電機(jī)，如果有一臺(tái)損壞或者無法正常工作，就會(huì)影響采煤工作順利展開。牽引機(jī)中某一傳動(dòng)副失效，則動(dòng)力難以實(shí)現(xiàn)傳輸。

（2）采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴嚴(yán)重磨損，喪失對于行走輪導(dǎo)向控制作用。因工作面起伏較大，采煤機(jī)實(shí)際工作時(shí)，單側(cè)行走部導(dǎo)向滑靴會(huì)出現(xiàn)翹起的情況。行走輪處在非正常工作狀態(tài)，極易出現(xiàn)另一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪、行走輪需要承擔(dān)更大的承載，在一定程度上加速齒面磨損。受配置、設(shè)計(jì)等因素影響，使得刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)齒軌輪出現(xiàn)超差問題，導(dǎo)致齒軌輪中心距出現(xiàn)超差，導(dǎo)致行走箱和齒軌輪面臨磨損。

受制造工藝影響，采煤機(jī)工作中或多或少會(huì)出現(xiàn)一定缺陷，導(dǎo)致行走部齒輪品質(zhì)難以得到有效保障，其耐損性能明顯下降，極易出現(xiàn)磨損問題。對煤礦進(jìn)行開采作業(yè)時(shí)，比較常見的是地板凹凸不平或刮板輸送機(jī)出現(xiàn)齒軌脫離等一系列問題。采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴或齒軌輪與輸送機(jī)之間的銜接部處發(fā)生卡阻等問題，會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)行走箱發(fā)生齒軌斷裂等。如果情況比較嚴(yán)重，必然導(dǎo)致采煤機(jī)出現(xiàn)掉道事故。采煤機(jī)工作面向著俯角進(jìn)行開采，其重點(diǎn)向著煤礦側(cè)方進(jìn)行傾斜，使得導(dǎo)向滑靴和齒軌運(yùn)行相互偏離，依次出現(xiàn)較大縫隙，導(dǎo)致齒輪與齒軌存在差距。如果齒輪吻合后出現(xiàn)的中心距大于預(yù)期值，二者間的嚙合部位偏向節(jié)圓上部，促使齒軌輪齒頂?shù)挠不瘜影l(fā)生塌落，由此出現(xiàn)齒輪或齒軌輪發(fā)生磨損或者斷裂等情況。

（3）熱處理未滿足設(shè)計(jì)要求。采煤機(jī)配置的行走輪、驅(qū)動(dòng)輪齒面的滲碳層深度、硬度實(shí)施熱處理時(shí)，并未滿足設(shè)計(jì)要求，齒面無法獲取良好的硬度及耐磨性。

3 預(yù)防措施

3.1 做好日常維護(hù)工作

檢修班組需要做好日常維護(hù)工作，嚴(yán)格按照日檢、周檢、月檢各項(xiàng)要求進(jìn)行檢查和維護(hù)工作。必須注意，采煤機(jī)的行走部件螺栓是否發(fā)生松動(dòng)，運(yùn)行中是否出現(xiàn)聲音、溫度等異常，這些均是每天必須檢查的項(xiàng)目，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理問題，避免隱患逐步擴(kuò)大，引起更嚴(yán)重事故。此外，對于導(dǎo)向滑靴、銷排等，也要做好相應(yīng)的檢測與維修工作。由于磨損量的限制，如果銷排和導(dǎo)向滑靴之間磨損量較大，會(huì)出現(xiàn)嚙合問題。替換耐磨層剩余較少的零構(gòu)件，對其實(shí)施重堆焊后方可再次使用，避免銷排與導(dǎo)向滑靴因磨損超量發(fā)生損壞現(xiàn)象，提升采煤效率。

3.2 優(yōu)化行走輪處理工藝及材料

分析采煤機(jī)發(fā)現(xiàn)，大部分采用18Cr2Ni4WA 制作行走輪。目前，普遍采用的電渣重熔鋼，能有效提高滲透層厚度，使得電渣重熔鋼使用年限有所提升。從整體看，行走輪使用新材料后，其耐磨性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均有顯著提高。

4 實(shí)例

4.1 存在的問題

本次研究選取MG300/720-AWD 采煤機(jī)為對象，分析其行走箱行走輪軸問題，提出相應(yīng)對策。采煤機(jī)在煤礦井下使用過程中，因受地質(zhì)條件變化及刮板輸送機(jī)推進(jìn)操作的影響，使得導(dǎo)向滑靴和底托架對行走輪軸出現(xiàn)較大軸向力。

行走輪軸由于多重作用力的影響，容易發(fā)生變形，一旦出現(xiàn)變形，行走輪軸與行走箱殼體之間的配合面出現(xiàn)較大的徑向作用力，直接影響行走輪軸拆裝。行走輪長時(shí)間和燒結(jié)一起轉(zhuǎn)動(dòng)或者外竄切斷壓板，導(dǎo)致底托架和導(dǎo)向滑靴報(bào)廢。

行走輪和輪軸間使用滑動(dòng)軸套間隙相互配合，由于遭受煤粉塵，導(dǎo)致行走輪軸處油孔堵塞，潤滑失效，行走輪與輪軸燒結(jié)無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)，促使壓板與軸端M12 內(nèi)六螺栓出現(xiàn)剪切斷裂，使得行走輪軸發(fā)生外竄。

4.2 改進(jìn)方法

通過研究，對采煤機(jī)行走輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將原行走輪圓頭轉(zhuǎn)變?yōu)榉筋^，節(jié)省壓板。將底托架原直徑（130 mm）圓孔銑削為方孔（140 mm×240 mm），在一定程度上增加抗剪能力，防止行走輪軸與行走輪燒死后和底托架、滑靴發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。從聯(lián)結(jié)方法上分析，方頭軸和底托架方孔使用8 個(gè)M16 的內(nèi)六角螺栓進(jìn)行連接，用于加大行走輪軸和底托架之間的壓緊力，促使行走輪上壓緊力比軸向力大，不會(huì)發(fā)生外竄。MG300/720-AWD采煤機(jī)改進(jìn)后，設(shè)備故障明顯減少，使用效果理想。

5 結(jié)論

煤礦開采作業(yè)中必須使用采煤設(shè)備，采煤機(jī)具有較強(qiáng)的平穩(wěn)性，能滿足底板起伏或中心距發(fā)生改變等問題。如果采煤機(jī)行走部齒輪發(fā)生故障，會(huì)使得整個(gè)采煤機(jī)應(yīng)用效率下降。因此，必須做好采煤機(jī)行走部齒輪故障防治與維護(hù)工作，充分發(fā)揮其在煤礦開采中的作用，大大提升煤礦開采效率。