許昌忠

(大同煤礦集團公司煤峪口礦)

采煤機截割搖臂傳動故障分析

許昌忠

(大同煤礦集團公司煤峪口礦)

截割部搖臂齒輪箱是采煤機的動力傳遞裝置，從安裝方式、受力、工作環(huán)境等方面分析了其易產(chǎn)生故障的原因，并對搖臂齒輪箱齒輪和軸承破壞形式進行了分析，為有效排除采煤機故障提供了參考。

采煤機 搖臂齒輪箱 故障分析

我國已探明的煤炭儲量占世界煤炭儲量的33.8%，可采量位居世界第二位，產(chǎn)量位居世界第一位。煤炭在我國一次性能源結構中占到70%以上，因此，煤炭工業(yè)在國民經(jīng)濟中的基礎地位是長期的和穩(wěn)固的，具有不可替代性[1-2]。

目前，隨著采煤機生產(chǎn)能力的飛速提高，高強度的生產(chǎn)模式導致設備的老化加劇，故障率大幅度增加，一定程度上制約了工作面產(chǎn)量的穩(wěn)步提高，影響了煤礦高效生產(chǎn)。采煤機截割部搖臂齒輪箱為傳遞截割動力部件，是采煤機的關鍵部件。據(jù)統(tǒng)計，搖臂齒輪箱故障約占采煤機故障率的34.2%，而且有增加的趨勢[3]。因此，研究分析采煤機搖臂齒輪箱常見故障及原因，對于提高采煤機可靠性，確保煤礦高效安全生產(chǎn)十分有必要。

1 采煤機

1.1 采煤機組成

采煤機主要由截割部、牽引部、電氣控制箱以及附屬裝置等部分組成。截割部主要由截割滾筒、截割電機、截割搖臂、齒輪箱以及調(diào)高裝置等部分組成，牽引部主要由牽引部齒輪箱以及行走機構等部分組成，電氣控制箱主要由各類控制電器、保護電路、顯示裝置以及報警裝置等部分組成，附屬裝置通常包括導向裝置、油箱、破碎機、冷卻系統(tǒng)以及噴霧系統(tǒng)等。

1.2 采煤機工作原理

截割電機通過搖臂齒輪箱傳遞動力給滾筒，利用截割部滾筒旋轉割煤，截齒滾動旋轉完成落煤，落下的煤塊拋落到刮板輸送機溜槽內(nèi)，再通過皮帶等運出工作面。

1.3 搖臂齒輪箱結構

搖臂齒輪箱是采煤機的重要的傳動裝置，采煤機截割部通過搖臂耳座與采煤機機身連接(圖1)，滾筒的位置根據(jù)工作面煤層高度通過調(diào)高油缸調(diào)整。在井下現(xiàn)場，由于搖臂箱安裝方式特殊，受工作面振動、粉塵等影響明顯，其工作特點：①采煤機搖臂齒輪箱與普通齒輪箱相比，是隨著采煤機截割部上下而一起移動的;②采煤機搖臂齒輪箱所受載荷是非均勻的，隨時受到煤塊等的沖擊;③采煤機搖臂齒輪箱所受振動源比較多，如截割電機、牽引電機、搖臂、采煤機行走時的嚙合振動;④由于井下作業(yè)，采煤機搖臂箱受到工作面粉塵、煤塵以及噴水等的影響。

圖1 采煤機截割部

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，高速區(qū)故障占搖臂齒輪箱總體故障率的42%，主要表現(xiàn)為高速齒輪齒面膠合和擦傷；低速區(qū)故障占總體故障率的30%，主要表現(xiàn)為斷齒以及軸承故障。

2 采煤機故障分析

2.1 搖臂齒輪箱齒輪故障分析

齒輪工作失效的原因有制造工藝、裝配工藝或者操作維護不當?shù)?。?jù)統(tǒng)計，齒輪失效在齒輪箱零部件失效故障中約占60%[4]。

(1)齒面磨損。齒輪在嚙合時，表面產(chǎn)生的摩擦損傷為齒面磨損。齒面磨損可能造成齒輪改變，增大誤差，降低傳動效率，甚至造成斷齒。齒面磨損可以分為腐蝕磨損與磨料磨損。腐蝕磨損是指潤滑油中的酸性成分與齒輪產(chǎn)生化學反應，形成腐蝕。磨料磨損是指潤滑油不足、油質(zhì)變質(zhì)或者齒輪表面有金屬顆粒導致劇烈摩擦，加大振動和噪聲。

(2)齒面膠合和擦傷。由于潤滑條件不合適，使得重載或者高速傳動系統(tǒng)齒輪間油膜破裂，嚙合齒面直接接觸，齒面的金屬熔焊在另一個齒面上，產(chǎn)生嚴重損傷。齒面膠合可以分為冷膠合與熱膠合，冷膠合是由于局部壓力過大，油膜破裂形成；熱膠合則是由于溫度過高，油膜破裂形成的膠合。

(3)齒面接觸疲勞。齒輪嚙合時有滾動與滑動，產(chǎn)生切應力，在切應力的不斷作用下，齒輪局部產(chǎn)生金屬剝落造成點蝕損傷。點蝕損傷一般可以分為麻點疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落。麻點疲勞剝落是指深度小于0.1 mm,直徑小于1 mm 的點蝕、片狀的疲勞損傷；淺層疲勞剝落是指比麻點剝落深、直徑大的剝落損傷；硬化層疲勞剝落是指塊狀剝落，深度達到硬化層過渡區(qū)。

(4)斷齒。由于嚙合傳動時受到?jīng)_擊載荷等其他原因，導致齒輪強度降低，其根部出現(xiàn)裂紋并逐漸發(fā)展，降低了齒輪的承載能力，產(chǎn)生斷齒。

2.2 搖臂齒輪箱齒軸承故障分析

2.2.1 滾動軸承故障機理分析

滾動軸承振動產(chǎn)生的原因主要是由其自身結構特點和軸承故障，導致軸承損壞。其振動機理如圖2所示。

圖2 滾動軸承振動機理

(1)滾動軸承自身結構特點造成的振動。滾動軸承為回轉支承構件，當受到回轉軸載荷時，其受力根據(jù)位置不同表現(xiàn)為扇形分布。當滾動軸承旋轉時，處在最下面的滾動體由載荷中心線朝著非載荷中心線的位置移動，接觸力從大到小，使得軸頸中心發(fā)生了位移。由于滾動體位置的變化，軸頸中心既產(chǎn)生上下方向的微動，也產(chǎn)生水平方向的微動。由此可知，當滾動軸旋轉時，滾動體每經(jīng)過載荷中心線時其受力就發(fā)生一次改變，即周期性沖擊。

(2)滾動軸承故障造成振動。如果軸承潤滑不良、受力過大，滾動軸承內(nèi)外圈滾動體就容易產(chǎn)生剝落、裂紋等損傷，隨著滾動軸繼續(xù)旋轉就會逐漸產(chǎn)生振動。

2.2.2 滾動軸承故障分析

(1)磨損失效。潤滑條件不好或者潤滑油變質(zhì)等原因，軸承旋轉時存在機械摩擦或者小顆粒磨損，使軸承滾動體上產(chǎn)生不均勻劃痕。如果磨損持續(xù)進行，軸承游隙變大，接觸表面更加粗糙，甚至旋轉精度下降，增大了振動與噪音。

(2)疲勞失效。軸承滾動體或滾道表面出現(xiàn)點蝕以及剝落現(xiàn)象。 滾動軸承高速旋轉時，接觸應力會對其反復沖擊，而滾動體與內(nèi)外圈的接觸面小，產(chǎn)生的接觸壓力大，使得軸承元件表面出現(xiàn)點蝕以及剝落，甚至產(chǎn)生小凹坑，使軸承失效。

(3)斷裂失效。軸承零件通常會因為磨削或者載荷過大而發(fā)生斷裂，有時候也會因為熱處理不到位產(chǎn)生破斷。

(4)壓痕失效。過載、撞擊以及異物進入滾道等，造成部件上局部形變的產(chǎn)生。另外，壓痕也可能是因為軸承裝配問題造成的。

(5)膠合失效。由于滾動體和滾道表面過熱而融合在一起導致的失效。一般發(fā)生在高溫、高速和重載的情況下。

3 結 語

(1)采煤機截割部搖臂齒輪箱是傳遞動力的裝置，從安裝方式、受力振動、工作環(huán)境等方面分析了其易產(chǎn)生故障的原因。

(2)總結了搖臂齒輪箱齒輪故障的主要形式及故障原因，著重分析了齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞以及斷齒4種失效情況。

(3)總結了搖臂齒輪箱軸承故障的主要形式及故障原因，著重分析了磨損失效、疲勞失效、斷裂失效、壓痕失效以及膠合失效5種情況。

[1] 王 研,李京文.我國煤炭消費現(xiàn)狀與未來煤炭需求預測[J].能源管理，2008,18(3):152-154.

[2] 李 靜,況明生.中國能源特點和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].國土資源科技管理，2009,26(4):60-64.

[3] 張軍輝.我國煤礦采煤機的研制回顧、現(xiàn)狀以及發(fā)展[J].煤礦機械，2008,29(3):1-3.

[4] 劉宗政,陳 懇,陳振華，等.滾動軸承的振動特性分析及典型故障診斷[J].機械設計與制造,2009(3):103-105.

2014-11-11)

許昌忠(1974—)，男，工程師，037041 山西省大同市。