電牽引滾筒式采煤機軸承失效分析

王振乾

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

1 問題的提出

電牽引滾筒式采煤機(圖1)是一款集成機械、電氣、液壓及輔助系統的復雜大型煤礦設備，直接擔負著煤礦開采工作面的割煤和裝煤重任，是工作面的核心設備之一。單從機械系統來看，電牽引采煤機的機械傳動系統為齒輪減速箱，即將各電動機(除液壓調高系統用電動機)的高轉速低扭矩經過齒輪減速箱后轉化為低轉速高扭矩，軸承是其中的關鍵部件,是保證采煤機機械系統正常運行的關鍵。電牽引滾筒式采煤機各齒輪減速箱中的軸承全部為滾動軸承[1]，主要包括球軸承、圓柱滾子軸承、滿裝滾子軸承、調心滾子軸承、單列及雙列圓錐滾子軸承。就成本而言，軸承約占整個減速箱的三分之一。

1—左截割部；2—左牽引行走部；3—電控系統；4—右牽引行走部；5—右截割部

電牽引滾筒式采煤機中的失效軸承大多發生在截割傳動裝置行星機構輸出端、截割傳動裝置齒輪箱高速軸處和牽引部行走傳動裝置處。除裝配因素及軸承本身質量外，電牽引滾筒式采煤機中所有軸承的早期失效均與其實際工作游隙[2-4]不當有很大關系。因此，分析主要部位軸承出現早期失效的原因，并提出了相應的解決措施。

2 行星機構輸出端軸承

2.1 受力分析

某型采煤機截割傳動裝置行星機構輸出端通過方榫和截割機構與滾筒連接盤相連，輸出高扭矩低轉速(一般為30～50 r/min)，傳遞給螺旋滾筒。由于此處為電牽引滾筒式采煤機直接割煤和裝煤的執行機構，受力復雜，結構上相當于短懸臂梁。此處一般配置單列或雙列圓錐滾子軸承：單列圓錐滾子軸承在安裝后才能達到一定的內部游隙；雙列圓錐滾子軸承的內部游隙由其隔圈配磨調節。圓錐滾子軸承軸向游隙的裝配調節較為復雜，而軸承的載荷及使用壽命均與實際工作游隙有很大關系。此處圓錐滾子軸承常見的故障有異常聲、內外圈滾道及擋邊劃傷磨損、保持架局部斷裂、滾動體磨損變形及整個軸承散套等。

2.2 失效分析

經分析認為軸承失效的主要原因如下。

(1)軸向游隙調整不當。采煤機截割傳動裝置行星機構軸承常規配置有2種：一是圖2所示上、下兩端均為單列圓錐滾子軸承；二是圖3所示下端用圓柱滾子軸承，上端用帶隔圈的雙列圓錐滾子軸承。

1—滾筒連接盤；2—方榫；3—配合止口；4—浮動密封；5—成對安裝的圓錐滾子軸承

1—圓柱滾子軸承；2—雙列圓錐滾子軸承；3—方榫；4—配合止口；5—浮動密封；6—滾筒連接盤

由于結構及裝配的原因，面對面安裝的單列圓錐滾子軸承載荷中心距a比2套軸承的中心距b要小很多(圖2)。軸承載荷中心距離較小不利于其承受較大的傾覆力矩，且由于力矩載荷引起的徑向力以及由其所導致的軸承變形均比背對背安裝軸承的要大。另外，面對面安裝軸承達到工作溫度時徑向游隙會減小，相當于增加了預緊。通常要求軸承運行時仍需留有一定的剩余游隙[2]。對剛性要求不高的上端圓錐滾子軸承套圈端面和其壓蓋之間預留50 μm的間隙，如該間隙較大，將嚴重影響圓錐滾子軸承的疲勞壽命。帶隔圈的雙列圓錐滾子軸承(圖3)游隙可通過配磨中隔圈的寬度尺寸來保證，使兩排圓錐滾子和內外圈滾道正好處于線接觸，否則將大大降低軸承的疲勞壽命。

(2)大型采煤機軸承外端多采用浮動密封，一旦浮動密封金屬環損壞，其碎渣塊可能進入軸承內，直接威脅軸承壽命。

(3)割煤時軸承所受沖擊載荷過大。

(4)滾筒連接盤和截割傳動裝置行星機構方榫配合較松，導致滾筒轉動引起的沖量直接沖擊行星機構輸出端的軸承。

2.3 解決措施

(1)對于圖2所示結構，應盡量采用背對背成對安裝的雙列圓錐滾子軸承，進行預緊不留間隙。對于圖3所示軸承，裝配完成后需調整游隙，最終使軸承工作游隙接近于零或為負游隙。

(2)在保證浮動密封潤滑和冷卻的條件下，盡量避免密封失效對軸承的影響。

(3)適當減小大直徑滾筒連接盤和截割傳動裝置行星機構方榫的配合間隙，以減小滾筒轉動時的長期沖量對軸承的影響。

3 行走機構軸承

圖4所示為采煤機牽引行走部傳動裝置的齒輪箱。盡管該處齒輪的轉速很低，通常約為6～10 r/min，但因齒輪箱運行于刮板機上的煤流中，工況條件極為惡劣，軸承受力大而復雜，常見故障有“嘎吱嘎吱”的異常聲、外圈破裂、保持架扭曲及斷裂、整個軸承散套等。

圖4 開式行走齒輪箱

3.1 失效分析

(1)軸向游隙偏小。為了適應導向滑靴和刮板機銷排水平方向存在間隙的結構，整個行走輪組件一般均可向左/右滑動3～5 mm，但當滑動到一定位置時，軸承內圈和軸套被導向滑靴內側面限位而不能繼續滑動，但軸承外圈和行走輪由于受力將繼續滑動(圖5)，當軸承軸向游隙為零而行走輪帶動外圈繼續滑動時，軸承將產生負游隙。當負游隙較大時，軸承內部會產生額外的附加載荷，從而大幅降低軸承的疲勞壽命。

1—軸承內圈；2—導向滑靴內側面；3—軸承外圈；4—行走輪；5—軸套

如某采煤機行走輪組件內選用的是FAG 23132C3/W33軸承，由文獻[5]知

Ga/Gr=2.3Yo,

(1)

式中：Ga為軸向游隙，mm；Gr為最大徑向游隙，Gr=0.22 mm;Yo為軸承計算系數(為軸承本身參數)，查表得Yo=2.26。經計算得Ga=1.14 mm，該值為軸承的初始軸向游隙。但在裝配時因內滾道的擴張及外滾道的收縮，將導致實際工作游隙比初始游隙要小。當結構設計間隙b-a遠大于軸承實際工作游隙時(圖5)，表明軸承工作時的負游隙過大，將嚴重影響軸承運轉。

(2)由于行走輪組件處煤粉很多，隨著設備的運轉磨損，行走輪組件軸承兩端的密封間隙變大，煤粉可能進入到軸承內部污染潤滑脂，極端情況是煤粉幾乎完全擠滿軸承內腔，使其幾乎不能繼續有效運轉。

(3)采煤機行走輪組件與刮板機銷排的嚙合傳動為非共軛的類齒輪齒條傳動，采煤機牽引行走時此處結構受力大而復雜，特別是受地質條件限制，采煤機進行仰俯采煤時，整個行走輪組件均會承受很大的軸向力。

3.2 解決措施

(1) 選用有較大初始軸向游隙的C5系列調心滾子軸承，以承受較大的軸向力和較大的動載荷。

(2) 選用兩側帶鋼骨架氟橡膠(FPM)接觸密封圈的軸承(后置代號含2CS2)，避免或盡量減少煤粉、粉塵進入到軸承中。

(3) 對于行走機構受力很大的采煤機，可以選用特殊設計的滿裝滾子軸承。

4 截割傳動部軸承

截割傳動部高速軸組件(圖6)為整個截割傳動部機械系統動力傳遞的第1級，其通過1根細長的扭矩軸與截割電動機的花鍵相連，齒輪由圓柱滾子軸承或調心滾子軸承對稱支承，并將動力傳遞到下一級。支承軸承圓柱滾子軸承或調心滾子軸承，保持與截割電動機的同步轉速(約1 475 r/min)，是截割傳動部中轉速最高的軸承。此處軸承常見故障有異常聲、溫升過快、保持架扭曲斷裂、內外圈端面發黑發藍等。

1—截割電動機內花鍵；2—扭矩軸；3—高速軸；4—保留間隙；5—殼體；6—截割電動機和殼體止口；7—截割電動機

4.1 故障分析

(1) 對于雙截割電動機的高速軸結構，由于兩電動機不可能100%同步運轉，所以兩截割電動機輸出扭矩略有差異，使兩組軸承對應的齒輪受力不均衡，進而影響軸承的正常運轉。

(2)使用工況為高溫，轉速較高，如果軸承組自由端端面和壓蓋的間隙過小，實際運行中會導致軸承外圈端面與壓蓋接觸，這時軸承將承受額外的附加力，極易燒壞軸承，特別是圓柱滾子軸承。

4.2 解決措施

(1)設計時可通過控制公差帶增大軸承組自由端和壓蓋間的間隙，如增大到1 mm。

(2)空間允許時可在一軸組件處(一軸組件和殼體的內腔處)增加水冷裝置，以降低潤滑油的溫度。

5 結束語

通過對電牽引滾筒式采煤機機械系統齒輪箱中出現早期失效的軸承進行分析，在明確失效原因的基礎上，提出了相應的改進措施，為電牽引滾筒式采煤機可靠、正常運行提供了保障。