礦用梭車蝸輪蝸桿減速器故障分析與改進(jìn)

劉小霞，惠忠文

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006；3. 煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室，山西太原 030006)

0 前言

國內(nèi)外現(xiàn)有梭車輸送系統(tǒng)中的輸送減速器采用的是蝸輪蝸桿減速器(一級圓柱直齒輪，二級蝸輪蝸桿)。蝸輪蝸桿減速器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大和傳動平穩(wěn)的特點，但是在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)該減速器存在發(fā)熱大、傳動效率低、磨損明顯、使用壽命較低等問題，直接影響了梭車的使用性能。某大型煤炭企業(yè)進(jìn)口梭車的保有量為50多臺，以1臺梭車配備2臺蝸輪蝸桿減速器，需要100多臺蝸輪蝸桿減速器。減速器的故障不僅會造成停機(jī)、停產(chǎn)，而且會對潤滑油、重金屬材料造成浪費。目前，國內(nèi)外對煤機(jī)設(shè)備蝸桿傳動減速器的研究較少，迫切需要解決蝸輪蝸桿的耐磨性。本文作者從國產(chǎn)蝸輪蝸桿減速器在使用過程中存在的問題展開分析，研究蝸輪蝸桿的材料、加工、裝配和潤滑等影響因素，提出有效的解決措施；通過臺架試驗和井下工業(yè)性試驗，驗證方案的有效性。

1 蝸輪蝸桿減速器存在故障分析

1.1 蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)和參數(shù)

該減速器采用二級傳動布置方式：高速級為直齒輪，低速級為蝸桿副，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。減速器的主要參數(shù)：驅(qū)動方式為電機(jī)，輸入功率為24 kW，輸入轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，輸入轉(zhuǎn)矩為161 N·m，傳動比為34.6。

圖1 減速器結(jié)構(gòu)

該減速器因齒輪布置在高速級，為獲得緊湊的箱體結(jié)構(gòu)，便于潤滑，通常取齒輪傳動比i<2～2.5，文中取齒輪傳動比i=1.87，則蝸輪蝸桿傳動比為i=34.6-1.87=32.73。

1.2 蝸輪蝸桿減速器中存在的故障

(1)減速器發(fā)熱嚴(yán)重、漏油

蝸輪蝸桿傳動屬于滑動摩擦傳動，運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致減速器發(fā)熱，同時減速器發(fā)熱引起膨脹，長期的膨脹會導(dǎo)致減速器零部件結(jié)合表面產(chǎn)生間隙，這就對密封提出了更高的要求，若密封選型不當(dāng)或者質(zhì)量不過關(guān)，就會造成減速器漏油的問題。

(2)蝸輪蝸桿磨損嚴(yán)重

蝸輪蝸桿傳動過程中存在摩擦接觸，若兩者之間嚙合效果不好，或者潤滑不良，會造成磨損加劇。圖2所示為國產(chǎn)蝸輪蝸桿減速器使用1個月后蝸輪的磨損圖。

圖2 減速器蝸輪磨損

蝸輪磨損一般與蝸輪蝸桿的材料、表面質(zhì)量、裝配、潤滑和使用環(huán)境有關(guān)。

因此，造成蝸輪蝸桿減速器故障的原因主要為蝸輪蝸桿材料，包括材料的匹配性、蝸輪蝸桿的表面質(zhì)量、蝸輪蝸桿的裝配質(zhì)量和潤滑，文中主要從這4個方面展開研究。

2 蝸輪蝸桿減速器的主要研究內(nèi)容

2.1 蝸輪蝸桿材料研究

礦用梭車獨特的重載輸送機(jī)構(gòu)的運輸部分承受著較高的沖擊和振動載荷[1]，要求蝸輪蝸桿減速器符合重載傳動設(shè)計的要求。應(yīng)用于重載傳動、常用的蝸輪蝸桿材料如表1所示。蝸桿傳動中常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅和鑄造鋁青銅[2]。

表1 應(yīng)用于重載、常用的蝸輪蝸桿材料

諸多學(xué)者對蝸輪蝸桿材料進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：蝸輪蝸桿材料的匹配性對蝸輪失效形式有很大的影響，與青銅-鑄鐵蝸桿副相比，青銅-鋼蝸桿副中的蝸輪磨損較??；與青銅-鑄鐵蝸桿副相比，鑄鐵-鑄鐵蝸桿副中的蝸輪容易發(fā)生膠合且齒面溫度較高，傳動效率較低[3-6]。

該蝸輪蝸桿減速器中的蝸輪蝸桿滑動速度vs=3.48 m/s，經(jīng)化驗進(jìn)口同類配件材料，其蝸桿材料為38CrMoAl，蝸輪材料為錫青銅。因此，蝸桿采用38CrMoAl，調(diào)質(zhì)氮化，蝸輪采用ZCuSn12Ni2。

2.2 蝸輪蝸桿表面質(zhì)量研究

機(jī)械零部件的表面質(zhì)量是指利用加工工藝生成的工件表面的微觀結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性能的要求[7]。針對某公司制定的“兩頭在內(nèi)，中間在外”的開放式搞科研生產(chǎn)體系，即科研設(shè)計和成品裝配放在公司內(nèi)部、加工制造委托優(yōu)勢企業(yè)完成的創(chuàng)新研發(fā)體系，加工制造主要委托優(yōu)勢企業(yè)完成。因此，在蝸輪蝸桿表面質(zhì)量提升方面的建議主要有：(1)加工制造委托具有先進(jìn)加工裝備、技術(shù)實力雄厚的優(yōu)勢企業(yè)；(2)建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，對蝸輪蝸桿的加工工序、熱處理和尺寸檢驗實時監(jiān)管，保證每道工序的可追溯性；(3)保證蝸桿的表面粗糙度、齒厚公差在設(shè)計范圍內(nèi)，蝸桿的最后一道加工工序為精磨。

2.3 蝸輪蝸桿裝配研究

蝸輪蝸桿減速器的裝配質(zhì)量直接影響其傳動效率和使用壽命，為保證裝配質(zhì)量，其相關(guān)影響因素必須全面保證。

(1)蝸輪蝸桿屬于90°交錯軸布置，其交錯孔之間的中心距即蝸輪蝸桿的中心距與裝配質(zhì)量有很大的關(guān)系。因此，在裝配之前，應(yīng)運用三坐標(biāo)測量儀精確檢測殼體，保證蝸輪蝸桿中心距在設(shè)計范圍內(nèi)。

(2)該減速器蝸桿與軸制成一體，蝸輪采用鑲鑄式。蝸輪蝸桿的裝配間隙由蝸桿和蝸輪的相對位置保證，通過調(diào)節(jié)蝸輪裝配軸側(cè)的調(diào)整墊片厚度確定合適的裝配間隙，因此在裝配前需測量相關(guān)零部件的尺寸鏈?zhǔn)欠裾_，保證蝸輪蝸桿的側(cè)隙控制在0.38～0.45 mm。

(3)對于蝸輪蝸桿的裝配誤差，一般采用著色法定性分析其蝸輪蝸桿齒面重合率，保證接觸斑點面積沿齒長方向達(dá)到60%以上，沿齒高方向達(dá)65%以上。為有利于潤滑油膜的形成，接觸斑點應(yīng)偏于齒面出口處。接觸斑點的位置和大小可通過調(diào)整墊片調(diào)整。

2.4 蝸輪蝸桿減速器潤滑研究

據(jù)統(tǒng)計，國外蝸桿傳動中因潤滑不合理而導(dǎo)致的輪齒失效占10%，我國則占25%，由于潤滑不足導(dǎo)致的減速器故障占34.4%，由于潤滑不當(dāng)導(dǎo)致的減速器故障占19.6%，即因為齒面潤滑原因?qū)е碌臏p速器故障大約占54%[8]。

在蝸輪蝸桿副傳動中，由于蝸輪蝸桿副線接觸壓力大，易磨損，從而造成傳動機(jī)構(gòu)的幾何精度和傳動精度降低，或者影響正常使用壽命，這都對線接觸蝸輪蝸桿副的摩擦學(xué)研究提出了迫切的要求。良好的潤滑不僅可以使蝸桿副兩齒面形成一定的油膜厚度，避免因齒面的直接摩擦而產(chǎn)生膠合和點蝕失效，而且可以減少重金屬的摩擦損失，從而提高蝸桿副的傳動效率、降低齒面的工作溫度等。這不僅要求減速器結(jié)構(gòu)具備良好的潤滑功能，而且要求潤滑油具備良好的潤滑特性、抗擦傷性能、防銹腐蝕性能和較強(qiáng)的抗氧化能力。

該蝸輪蝸桿減速器屬于蝸桿上置式布置，要求蝸輪蝸桿浸油深度為蝸輪外徑的1/3，保證潤滑油充足，定期更換潤滑油。另外，采用專用蝸輪蝸桿潤滑油對蝸輪蝸桿減速器的潤滑性能有很大的改善，可推薦礦方對該減速器采用專用蝸輪蝸桿齒輪油潤滑。

3 試驗

3.1 臺架試驗

(1)傳動試驗臺

該傳動試驗臺可采集減速器的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、殼體溫度、油溫和振動等數(shù)據(jù)，同時實時顯示減速器的傳動效率。

(2)減速器試驗時間確定

經(jīng)調(diào)研，梭車每班最多完成90次物料裝卸，每次卸料時間約為30 s，裝料時減速器基本不工作，故不考慮裝料時間。按照一班8 h工作制，梭車每完成一次物料裝卸循環(huán)使用時間為5.3 min，則梭車每完成一次物料裝卸循環(huán)減速器的使用時間為30 s，減速器不工作時間為4.8 min，約等于5 min。因此，模擬梭車蝸輪蝸桿減速器的實際工況，梭車蝸輪蝸桿減速器臺架試驗按照30 s加載，5 min不工作，另外考慮傳動試驗臺功率加載、卸載各延時5 s，則梭車蝸輪蝸桿減速器臺架試驗時間定為：40 s加載(滿載)，5 min不工作，減速器臺架試驗4天(8 h/天)。試驗報告如圖3所示。

圖3 減速器試驗報告

(3)試驗結(jié)論

通過分析減速器的試驗報告和觀察減速器的蝸輪蝸桿的磨損情況(試驗4天，從臺架上拆解下來減速器)，得出結(jié)論：①加載試驗進(jìn)行0.5 h后，減速器油溫比殼體溫度高近30 ℃，加載試驗進(jìn)行8 h后，減速器油溫達(dá)100 ℃，因此，在后續(xù)井下工業(yè)性試驗時，采集到的殼體溫度應(yīng)比實際油溫低30 ℃，同時需注意該減速器設(shè)計時要選型耐高溫型密封；②該減速器的傳動效率為75%～80%，則在滿足使用功能的條件下，即減速器的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩不變，適當(dāng)延長梭車卸煤時間，該減速器可用傳動比為80%原傳動比的齒輪減速器替代，降低了傳動比，減速器的外形尺寸可適當(dāng)縮??；③減速器試驗進(jìn)行4天后，放掉減速器內(nèi)齒輪油，齒輪油內(nèi)存在銅末，觀察蝸輪齒形，蝸輪齒部中間位置有輕微磨損，表明臺架試驗階段，蝸輪蝸桿傳動處于跑合階段，磨損量明顯。

3.2 井下工業(yè)性試驗

該減速器隨梭車在某礦井下使用1周，減速器無異常，更換減速器內(nèi)油液，油液內(nèi)存在少量銅末，表明蝸輪蝸桿傳動處于跑合階段，磨損量明顯；使用1個月，減速器無異常，更換減速器內(nèi)油液，油液內(nèi)存在很少量銅末，表明蝸輪蝸桿傳動處于穩(wěn)定磨損階段，磨損相對較輕；截至目前，減速器使用6個月，減速器仍然無異常。結(jié)合國內(nèi)該減速器使用壽命僅為3～4月，驗證了此次減速器蝸輪蝸桿改進(jìn)是成功的。

4 結(jié)論

針對礦用梭車蝸輪蝸桿減速器中存在的高溫、磨損嚴(yán)重以及使用壽命低的問題，通過研究蝸輪蝸桿的材質(zhì)、表面質(zhì)量、裝配和潤滑等影響因素，選擇匹配性好的高耐磨材料和嚴(yán)格把關(guān)蝸輪蝸桿的表面質(zhì)量、裝配和潤滑建議試制該減速器，最后通過臺架試驗和井下工業(yè)性試驗，驗證了該減速器可無異常使用6月以上，表明該減速器的開發(fā)是成功的。