采煤机齿轨轮失效原因分析及预防措施.pdf

2020年 第6期 热加工 53 H 热处理 eat Treatment 采煤机齿轨轮失效原因分析及预防措施 王晟东，苏晓静，徐凌雪，王培科 西安煤矿机械有限公司 西安 710032 摘要齿轨轮是采煤机行走的主要零件，通过对齿轨轮常见的断裂失效、磨损失效、剥落失效、变形失效进 行分析，从齿形设计、受力状态、热处理工艺、制造加工等方面提出了合理的改进及预防措施，并在实践中 得到验证，对提高采煤机齿轨轮的使用寿命具有十分重要的意义。 关键词采煤机；齿轨轮；销排；失效分析；预防措施 1 序言 采煤工况呈多样性、环境复杂恶劣，采煤机在 地质条件复杂的采煤机工作面上，齿轨轮通过与刮 板运输机销排的啮合带动采煤机在刮板运输机上的 往复运动，以实现采煤机的割煤及装煤工作。齿轨 轮传动系统属低速重载的开式传动，润滑条件差， 粉尘严重。因此，采煤机在工作中经常发生失效， 致使采煤机无法正常行走，影响正常生产，所以研 究采煤机齿轨轮的失效原因，采取合理的预防措 施，以提高采煤机齿轨轮传动的可靠性，对齿轨轮 质量的改进及提高具有重要的指导意义。 2 齿轨轮失效形式 采煤机齿轨轮在使用过程中，经常发生断裂失 效、磨损失效、剥落失效、变形失效，且经常是以 上两种或多种的复合失效。 在断裂失效方面，齿轨轮的断裂部位经常发生 在齿轮节圆与齿根的交界处，断口比较齐平，一般 断口呈现一次脆性断裂特征，同时伴有齿面节圆部 位的磨损，如图1、图2所示。 图1 齿轨轮断口形貌 20200427 通过对螺钉设计状态的校核能够看出，本批螺 钉冲击吸收能量较低，不满足标准要求。改进热处 理工艺制度后，提高螺钉材料冲击吸收能量，螺钉 能够发挥可靠的连接性能。通过前后两次水压爆破 试验结果对比，螺钉材料韧性差是螺钉发生断裂的 主要原因。 6 结束语 1）螺钉断裂为脆性断裂。 2）热处理工艺参数设定不合理是造成螺钉脆性 断裂的主要原因。 3）通过保证热处理炉控温精度，调整热处理工 艺制度，延长等温淬火保温时间，增强马氏体向下 贝氏体的转变，减小晶界和相界碳化物的析出，可 以提高螺钉等温淬火后的韧性，防止其发生脆性断 裂。 参考文献 [1] 刘宪民，花峰.热处理对30CrMnSiNi2A钢力学性能 影响[J].钢铁，2003，38（1）43-47. [2] 钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京高等教育出版 社，2006. [3] 张栋，钟培道，陶春虎，等. 失效分析[M].北京国 防工业出版社，2004. 2020年 第6期 热加工 54 H 热处理 eat Treatment 图2 齿轨轮断裂位置 在磨损方面，齿轨轮属开式传动，环境恶劣， 常见为磨粒磨损，齿面及齿顶经常被磨光，如图3、 图4所示。 图3 齿轨轮齿顶磨光 图4 齿轨轮轮齿磨损变形 在变形与剥落方面，齿轨轮在使用过程中经常 受到冲击载荷，表面的硬化层已剥落，随着硬化层 的严重剥落，轮齿宽度变窄，易发生弯曲变形，如 图5、图6所示。 图5 轮齿剥落形貌 图6 轮齿剥落变形 3 齿轨轮失效原因分析 3.1 齿轨轮与销排的传动特性分析 采煤机齿轨轮与销排之间的啮合属开式传动， 适用于低速、重载、粉尘多、润滑差的工作环境， 从理论上分析，这种传动属非共轭啮合[1]，其传动 比不恒定，特别是在销排与销排连接处有突变，会 使齿轨轮出现卡死现象，弯曲应力瞬间增大，严重 时就可能导致齿轨轮非正常断齿。 3.2 齿轨轮受力状况分析 采煤机工作时，由于齿轨轮与销排为非共轭啮 合传动，随着啮合点的变化，压力角和法向力都是 变化的，牵引力也是变化的，当遇到较大的冲击载 荷或其他原因造成齿轨轮上所受的力超过材料的强 度时，就会引起轮齿的断裂[2]。 齿轨轮与刮板运输机的销排采用近似齿条啮合 原理实现采煤机前进，导向滑靴对采煤机起着导向 及支撑作用，因采煤机自重大，导向滑靴在使用过 程中，其内表面与销排表面发生滑动摩擦，故易使 导向滑靴发生磨损，当导向滑靴上表面磨损过量且 没有得到修复时就会导致采煤机下沉[3]，造成齿轨 轮中心与销排啮合线距离变小，致使齿轨轮干涉或 断齿。 3.3 齿轨轮齿形分析 齿轨轮的齿形对齿轨轮传动具有很重要的作 用，如果设计不合理，不但影响齿轨轮寿命，而且 会影响采煤机运行时的稳定性和刮板运输机销排的 使用寿命，目前，采煤机齿轨轮齿形主要分为渐开 线型和摆线型。渐开线型分为准渐开线和纯渐开线 型；摆线型主要分为摆线型和准摆线型，据相关资 料分析，详见表1，从传动效果由好向坏的排列次序 为摆线型、准摆线型、渐开线型。 表1 不同齿轨轮齿形的啮合效果对比 齿形类别速度波动比加速度波动加速度波动比 准摆线型最小中等最大 摆线型中等最小最小 渐开线型最大最大中等 3.4 齿轨轮材质选用分析 采煤机使用工矿恶劣，齿轨轮与销排啮合过 程中有煤粉及矸石粉，属无润滑的开式传动，同 时，采煤机有时还要过断层，切割矸石，或者齿轨 轮过销排的连接处及随着销排磨损节距的变化，齿 轨轮经常受到较大的冲击载荷，且瞬时尖峰荷载可 高达额定功率的数倍，因此要求齿轨轮的材质不仅 有好的耐磨性，又要良好的耐冲击性能，即要求 齿轨轮有高的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度及承 2020年 第6期 热加工 55 H 热处理 eat Treatment 载能力，根据齿轨轮的实际使用状况，一般选择 wC0.100.25高淬透性低碳合金钢，以保证齿轨 轮心部有足够的韧性与塑性，经表面渗碳淬火后， 获得良好的耐磨性，以满足重载服役的条件，另外 要考虑材料的购买成本及工艺制造成本。 3.5 齿轨轮热处理工艺分析 齿轨轮使用条件决定了其表面要耐磨，心部 韧性好，现在目前齿轨轮选用的材质为低碳合金钢 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、17Cr2Ni2MoA等，常 用热加工工艺为锻造→正回火→渗碳淬火。其常 见的热处理组织缺陷为粗大锻造组织遗传、内氧 化、表面存在非马氏体组织、粗大碳化物、粗大马 氏体及大量残留奥氏体等。 这些不良组织缺陷会导致齿轨轮的冲击韧度、 耐磨性、弯曲疲劳强度降低，易使齿轨轮发生早期 失效。 4 齿轨轮失效预防措施 4.1 齿轨轮齿形设计与销排啮合方面 首先，采用三维模拟软件，设计合理的齿轨轮 齿形，比如，经有限元建模分析，模数为40mm的 齿轨轮宜采用摆线型，它的速度波动比、加速度波 动、加速度波动比最小，使齿轨轮与销排的啮合更 稳定；其次，改变销排的连接方式，提高销排的加 工精度，减小销排的加工尺寸误差，降低销排连接 处的节距变化，设计合理的浮动销排，利用浮动销 排调节节距的作用，使销排与齿轨轮啮合的实际中 心距接近恒定，使两者啮合趋于更加平稳，减少齿 轨轮的冲击载荷，防止齿轨轮卡死；最后，及时更 换已磨损的导向滑靴，导向滑靴的磨损使采煤机下 沉，造成齿轨轮中心与销排啮合线距离变短，致使 齿轨轮发生干涉，从而发生早期断裂失效。 4.2 齿轨轮选材及热处理工艺方面 （1）齿轨轮的选材 齿轨轮主要是低速重载， 使用环境恶劣，一般尺寸较大，且受冲击载荷，根 据齿轨轮的实际情况，一般选择合金渗碳钢，不仅 要考虑齿轨轮渗碳淬火后齿面及心部力学性能满足 低速重载的服役条件，还要考虑钢种的热处理工艺 周期及成本。目前，齿轨轮材质主要有20Cr2Ni4A 钢、18Cr2Ni4WA钢、17Cr2Ni2MoA钢等，它们的 共性就是淬透性较好，均属高合金渗碳钢；在材质 的力学性能、淬透性方面分析，18Cr2Ni4WA钢综 合力学性能最好，适合制造尺寸较大的齿轨轮，且 弯曲疲劳强度及耐磨性最好；在材质的市场价格方 面，18Cr2Ni4WA钢的价格最高；在热处理工艺成 本方面，17Cr2Ni2MoA周期短，成本最低，因此， 要结合齿轨轮的尺寸及使用条件，选择合适的齿轨 轮材质，同时，对所选材质的非金属夹杂、带状组 织、低倍组织进行合理的要求，以提高齿轨轮的使 用寿命。 （2）齿轨轮热加工工艺方面 首先，要严格按 照锻造工艺，选择合理的锻造比及锻造流线，以获 得均质及最优化的齿轨轮锻造流线，制定合理的始 锻及终锻温度，采取复杂的预备热处理，消除粗大 的锻造组织及混晶组织，防止组织遗传[4]，以避免 在随后的渗碳淬火过程中产生粗大的马氏体及异常 组织，降低齿轨轮的冲击韧度。 其次，采用合理的渗碳淬火工艺，使表面渗碳 层碳浓度在0.851.00，渗层中马氏体及残留奥 氏体级别为23级，表面内氧化层级别为13级，晶 粒度级别为78级，以得到合适的有效硬化层深度及 心部硬度，这样，就会有效提高齿轨轮的接触疲劳 强度、弯曲疲劳强度、过载承载力，使齿轨轮最终 获得更高的使用寿命。 5 结束语 总之，齿轨轮是采煤机的易损件，应依据其失 效原因，采用合理的齿形设计、选材、加工及热加 工工艺，以提高齿轨轮的使用寿命。 参考文献 [1] 冯建军.浅析采煤机行走轮断裂现象[J].煤矿机械， 2008（1）31-35. [2] 苏乐，王培科.采煤机轴齿轮采煤机轴齿轮点蚀与 断齿原因分析[J].理化检验-物理分册，2017（7） 423-426. [3] 刘春生，王旭东.采煤机牵引导向滑靴配合间隙设计 [J].煤矿机械，2005，26（10）1-2. [4] 王培科，王维发.采煤机满滚子轴承剥落与掉块原 因分析[J].理化检验-物理分册，2012（12）791- 793. 20200426