采煤機(jī)鏈輪輪齒斷裂的原因分析及改進(jìn)研究

范正宇， 范彥汝

(1.霍州煤電集團(tuán) 汾河焦煤公司 三交河煤礦，山西 臨汾 041000； 2.太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

采煤機(jī)作為井下煤炭開(kāi)采的重要設(shè)備之一，其安全性及可靠性對(duì)井下開(kāi)采作業(yè)的安全和能否順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。在井下工作時(shí)，采煤機(jī)外牽引損壞的主要形式是行走部鏈輪輪齒斷裂，鏈輪輪齒的非正常斷裂嚴(yán)重影響了采煤機(jī)的正常作業(yè)，隨著地質(zhì)條件的惡化，鏈輪損壞情況加劇。因此分析鏈輪磨損斷裂的原因并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)是煤礦高產(chǎn)高效開(kāi)采的迫切需要。通過(guò)跟蹤研究大量的行走輪輪齒斷裂情況，并結(jié)合相關(guān)資料,筆者分析了鏈輪輪齒斷裂的可能原因，并針對(duì)相關(guān)情況做了改進(jìn)工作。

1 鏈輪損壞現(xiàn)象

鏈輪是采煤機(jī)外牽引的執(zhí)行元件，也是采煤機(jī)零部件中的易損件，其為開(kāi)式傳動(dòng)，工況條件復(fù)雜、惡劣。鏈輪與銷(xiāo)排嚙合示意圖如圖1所示，這種傳動(dòng)方式為非共軛嚙合，隨著嚙合角度的變化，壓力角、牽引力也會(huì)發(fā)生變化。井下通常存在不同程度的坡度，鏈輪在工作過(guò)程中其中心距會(huì)隨著采煤機(jī)的行走發(fā)生改變，采煤機(jī)運(yùn)輸機(jī)銷(xiāo)排節(jié)距也會(huì)發(fā)生磨損、移動(dòng)，這就導(dǎo)致鏈輪與銷(xiāo)排的嚙合條件非常惡劣，普遍存在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命而出現(xiàn)齒面磨損嚴(yán)重、齒側(cè)剝落及齒根斷裂等問(wèn)題。鏈輪輪齒磨損、斷裂示意圖分別如圖2、圖3所示。

2 鏈輪損壞原因分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)同工作面下不同鏈輪的使用壽命以及同批次同規(guī)格型號(hào)鏈輪在不同工況下的使用情況，分析鏈輪損壞的原因。

2.1 鏈輪形狀和工藝的影響

經(jīng)過(guò)大量的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，在工況條件相同的情況下，不同的鏈輪使用壽命不同，鏈輪輪齒長(zhǎng)和齒根過(guò)渡圓角偏小時(shí)鏈輪更易發(fā)生斷裂。鏈輪輪齒較長(zhǎng)時(shí)，易與銷(xiāo)排齒座發(fā)生干涉，且嚙合過(guò)程中摩擦變大，造成鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢，從而出現(xiàn)憋卡、磨損、斷裂等現(xiàn)象；齒根過(guò)渡圓角偏小時(shí)，會(huì)降低齒根的強(qiáng)度，當(dāng)承受較大的彎曲應(yīng)力時(shí)齒根部容易應(yīng)力集中，從而出現(xiàn)裂紋，甚至斷齒。此外，鏈輪的硬度高、齒部光滑時(shí)壽命長(zhǎng)。

圖1鏈輪與銷(xiāo)排嚙合示意圖圖2鏈輪輪齒磨損示意圖

2.2 工況及連接部件的影響

同批次、同規(guī)格型號(hào)的鏈輪在不同工況條件下表現(xiàn)也大相徑庭。煤層較軟無(wú)夾矸、巷道平穩(wěn)、刮板輸送機(jī)銷(xiāo)排布置平順時(shí)，鏈輪使用壽命最長(zhǎng)；煤層較硬、夾矸較多時(shí)，滾筒座截齒受力較大，采煤機(jī)為剛性連接，形成較大的沖擊載荷，加快鏈輪的磨損；有爬坡需求的井下，在爬坡過(guò)程中，鏈輪受力不均衡，單鏈輪磨損嚴(yán)重，甚至壓潰。

銷(xiāo)排的質(zhì)量和布置情況是影響鏈輪壽命的關(guān)鍵因素，銷(xiāo)排大多數(shù)為鑄造件，精度低，齒型誤差大，圓角和倒角處理不當(dāng)、表面粗糙等鑄造缺陷都嚴(yán)重影響鏈輪與銷(xiāo)排輪齒的嚙合性能。刮板輸送機(jī)溜槽的安裝要保證垂直彎曲≤±3°，水平彎曲≤±1°，若井下安裝及工況達(dá)不到，銷(xiāo)排節(jié)距在兩兩相接處變化大。對(duì)于有傾角的工作面，銷(xiāo)排一般存在自機(jī)尾向機(jī)頭下滑趨勢(shì)，會(huì)使銷(xiāo)排接口處間隙過(guò)小甚至靠緊，接口處節(jié)距變小。當(dāng)節(jié)距變小時(shí)，嚙合滯后，瞬間為單鏈輪牽引，承受較大的負(fù)荷，導(dǎo)致銷(xiāo)排齒面壓潰、變形，鏈輪變形；如果存在起伏，在起伏的高點(diǎn)節(jié)距增大，鏈輪齒頂會(huì)和銷(xiāo)排齒頂發(fā)生撞擊，造成損壞。當(dāng)節(jié)距變大時(shí)，采煤機(jī)向上抬升，致使導(dǎo)向滑靴下鉤平面緊貼銷(xiāo)排側(cè)板下面，導(dǎo)向滑靴一旦磨損就失去了對(duì)鏈輪的保護(hù)作用。

平滑靴起到支撐采煤機(jī)、使采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)鏟板行走的作用。平滑靴地面所受的接觸比壓大，磨損較快，在其磨損過(guò)量時(shí)，會(huì)使采煤機(jī)向煤壁側(cè)傾斜，造成鏈輪、導(dǎo)向靴上抬，破壞鏈輪與銷(xiāo)排的嚙合，使導(dǎo)向靴下勾槽磨損加快，鏈輪齒側(cè)受擠壓，加速齒部磨損?？刂破交サ酌娴哪p也是延長(zhǎng)鏈輪使用壽命的主要手段。

3 鏈輪磨損斷裂問(wèn)題的改進(jìn)措施

3.1 材料的改進(jìn)

合作廠家的鏈輪材料為40CrNiMo，熱處理后齒面硬度為HRC52～HRC56，芯部硬度為HRC32～HRC35，為提高鏈輪的耐磨性，與采煤機(jī)供應(yīng)廠家協(xié)商，在鏈輪材料中加入鎢，改用18Cr2Ni4W，熱處理工藝相應(yīng)做了調(diào)整。兩種材料的機(jī)械性能對(duì)比如表1所示。

表1 兩種材料的機(jī)械性能

18Cr2Ni4W為低碳合金鋼，因此加入滲碳工序，并由整體淬火代替表面淬火。改變材料及熱處理工藝后，鏈輪的齒面硬度能達(dá)到HRC58～HRC62，芯部硬度達(dá)到HRC38～HRC42，滲碳層深度2.0 mm～2.4 mm。

3.2 導(dǎo)向滑靴的改進(jìn)

采煤機(jī)工作過(guò)程中，導(dǎo)向滑靴起著導(dǎo)向和支撐的作用，同時(shí)對(duì)鏈輪有一定的保護(hù)作用，導(dǎo)向滑靴磨損后，會(huì)使鏈輪下沉，嚙合線下移，嚙合點(diǎn)移至鏈輪齒根圓處，靠近齒根處承受扭矩，在鏈輪輪齒硬化層磨損后，鏈輪齒根圓處發(fā)生塑性變形，齒形彎曲。導(dǎo)向滑靴的加工一定要保證縱、橫向間隙，導(dǎo)向滑靴勾槽處為關(guān)鍵部位也是易損部位，通過(guò)對(duì)勾槽部位焊耐磨焊條能有效地減緩導(dǎo)向滑靴的磨損，從而保護(hù)鏈輪。

3.3 鏈輪齒形的改進(jìn)

目前常用的鏈輪齒廓形狀有漸開(kāi)線和擺線兩種，擺線型鏈輪適用于功率較小的采煤機(jī)，漸開(kāi)線型鏈輪適用于功率較大的采煤機(jī)。以大功率漸開(kāi)線型鏈輪為例，對(duì)鏈輪的輪齒長(zhǎng)度和齒根圓過(guò)渡圓角進(jìn)行優(yōu)化，提高加工精度，避免刀痕和尖棱尖角，能有效地改善采煤機(jī)鏈輪和刮板輸送機(jī)銷(xiāo)排的嚙合性能，減小沖擊載荷。

采用新材料、新工藝并對(duì)齒廓形狀進(jìn)行優(yōu)化后加工出來(lái)的新鏈輪如圖4所示，目前該批鏈輪已投入使用，性能較以前有了很大的提高，使用壽命是以前的3倍。

圖3鏈輪輪齒斷裂示意圖圖4改進(jìn)后的新鏈輪

3.4 其他影響因素的改善

鏈輪與銷(xiāo)排的嚙合原理與齒輪齒條嚙合相似，銷(xiāo)排的齒廓形狀、表面粗糙度、磨損程度、安裝精度等都對(duì)鏈輪的壽命有很大的影響。選擇鑄造精度高、缺陷少的銷(xiāo)排，嚴(yán)格按照煤炭行業(yè)規(guī)范要求進(jìn)行井下安裝。使用過(guò)程中定期檢查導(dǎo)向滑靴、銷(xiāo)排、平滑靴、鏈輪的磨損量，磨損較大時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換或維修，以免造成其他部件的損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鏈輪的大量跟蹤研究，分析鏈輪輪齒磨損斷裂的原因，針對(duì)相關(guān)情況與廠家協(xié)商對(duì)鏈輪、導(dǎo)向滑靴、銷(xiāo)排等相關(guān)部件進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的鏈輪使用壽命有了很大的提高。但是鏈輪的實(shí)際使用壽命仍達(dá)不到設(shè)計(jì)及井下需求，要使采煤機(jī)鏈輪的改進(jìn)達(dá)到理想的效果，需要對(duì)整個(gè)嚙合運(yùn)動(dòng)過(guò)程作進(jìn)一步的分析，并結(jié)合井下的實(shí)際工況條件，針對(duì)性地做出調(diào)整，使采煤機(jī)能夠更加安全可靠地運(yùn)行。

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