礦用鉸接四驅車輛過橋結構可靠性提升方法研究

郝明銳

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 存在問題

防爆無軌膠輪車作為煤礦無軌輔助運輸系統的主要設備，其在煤礦生產中的推廣使用極大提高了生產效率，降低了事故發生率，在減人增效、提高安全等方面，取得了良好的經濟效益和社會效益[1]。煤礦井下多粉塵、煤泥和積水，路面狀況惡劣，對車輛的通過能力、轉彎半徑和附著能力要求較高，鉸接四驅型防爆無軌膠輪車因路況適應能力強，整機穩定性好，轉向靈活方便，轉彎半徑小等特點，被廣泛使用。據統計，使用該類車型的礦井有500余處，總量超過4000輛[2-4]。

該車型的前后機架通過中央鉸接裝置連接，為實現鉸接前后的動力傳輸，在中央鉸接點附近設有傳動過橋。常用的過橋結構對裝配質量及安裝精度要求較高，且在車輛行駛過程中有時會發生過橋軸承損毀，過橋軸損壞的現象，如圖1所示。確定過橋軸承損壞原因，提高過橋結構可靠性對降低車輛維護成本，延長車輛使用壽命具有重要意義。

圖1 過橋結構的常見損毀情況

2 車輛過橋的組成結構

鉸接型四驅防爆膠輪車由前后兩部分機架組成，通過中央鉸接裝置連接。防爆柴油機產生的動力經過變矩器到達變速箱后再分別傳遞給前、后驅動橋，動力在通過鉸接位置時需經過橋軸傳遞，如圖2所示。為適應煤礦井下的惡劣路況，鉸接四驅防爆車輛在中央鉸接位置靠近后機架處安裝了回轉鉸接機構，以適應車輛在行駛過程中的左右擺動[5-10]。

圖2 鉸接四驅車型傳動結構框圖

1—回轉鉸接座；2—調整墊片；3—過橋軸承；4—過橋軸；5—回轉軸承；6—后機架圖3 回轉鉸接機構布置圖

回轉鉸接機構的基本結構如圖3所示，過橋組件通過螺栓固定在回轉鉸接座上，過橋軸從回轉鉸接座中心穿過。該布置形式結構緊湊，左右擺動靈活，路況適應性好，在礦用鉸接四驅型防爆車輛中普遍采用。但由于過橋組件整個包裹在回轉鉸接座中，裝配完成后加工精度及裝配質量難以檢驗，使用過程中輕微故障很難發現，常因處理不及時導致過橋軸和軸承損毀，需更換整個過橋組件，嚴重時會導致整個回轉鉸接機構的損壞。

3 過橋故障原因分析

3.1 車輛臺架運行實驗

通過進行車輛臺架運行實驗，利用熱成像儀可記錄在不同車速下過橋處的溫度變化情況，為判斷故障原因提供實驗依據。選取10臺安裝上述過橋結構的車輛進行臺架實驗，分別以不同檔位的車速運行，實驗車輛臺架運行相關參數見表1，觀察并記錄過橋處的溫升情況。

表1 實驗車輛臺架運行相關參數

選取故障情況比較嚴重的車輛數據進行分析，其過橋處溫度變化曲線如圖4所示。實驗數據表明：當車輛在低速檔運行時，過橋組件溫升較為平緩，運行20min后溫度趨于平穩；而當車輛在高速檔位連續運行時，過橋組件溫升劇烈，其溫度短時間內超過100℃，且沒有緩和趨勢，繼續運行甚至超過200℃。此時過橋處密封已經失效，潤滑油脂溢出蒸發，如圖5所示。繼續運行，過橋軸承損毀。

圖4 過橋溫度隨車速的變化曲線

圖5 過橋在高速轉動時的熱成像圖

3.2 故障原因分析

根據實驗結果，結合過橋結構的特點分析可得：因過橋組件包含在回轉鉸接座中，散熱條件差，當車輛在高速檔位運行時，過橋軸高速轉動，若在裝配時過橋組件安裝過緊，軸承安裝間隙不足，或潤滑油脂加注不當，當軸承發熱后膨脹量超過預留間隙，會發生脹死現象，其內圈和過橋軸軸承安裝面發生相對滑動，導致發熱加劇，溫度劇烈升高。當溫升超過過橋組件中密封件可承受溫度，過橋處密封失效，潤滑油脂溢出蒸發，潤滑失效，持續高速運行則會導致過橋軸承損毀，過橋組件故障。

4 改進方法及效果驗證

回轉鉸接機構和過橋組件的機械結構緊湊，加工精度要求較高，若更改機械結構，則需對現有組件進行重新加工，改造周期長、成本高。通過增大過橋軸向安裝間隙以及更換大游隙軸承的方法對過橋結構進行修改，可在避免修改機加件的同時有效提升過橋結構的可靠性。

4.1 增大過橋軸向安裝間隙

實驗車輛的過橋組件結構如圖6所示，該結構中預留的軸承軸向竄動間隙可通過改變調整墊片(序號2)的厚度來實現。原本結構中的調整墊片厚度為0.8mm，為驗證是否因軸承軸向間隙不足而導致其受熱膨脹后漲緊而產生故障，實驗通過增加調整墊片的數量，由1片增加到3片，使預留的軸向間隙增加到2.4mm。

1—安裝法蘭；2—調整墊片；3—過橋軸承；4—過橋軸；5—軸承端蓋；6—骨架密封圖6 實驗車輛過橋組成結構(mm)

增大軸承軸向安裝間隙后對車輛進行臺架運行實驗。過橋溫升情況雖然稍有改善，但持續高速運行時過橋處溫度依舊過高，運行中仍然發生軸承損壞的故障。繼續增大軸向間隙，過橋溫升沒有好轉，且間隙過大會增加軸承軸向竄動量，擴大其振動和磨損。實驗結果表明：過橋軸承預留的軸向竄動間隙不足不是產生故障的主要原因。

4.2 更換大游隙組軸承

該過橋結構中軸承的徑向安裝間隙無法調整，由軸承本身的徑向游隙所決定。為驗證故障是否由軸承徑向間隙不足引起，需對軸承進行更換。過橋組件中原軸承為6312型深溝球軸承(GB/T 276—1994)。根據滾動軸承徑向游隙標準GB/T 4604—1993，可通過選用同型大游隙組軸承來實現增大其徑向游隙的目的，同時因軸承安裝尺寸保持不變，避免了對過橋軸進行再加工。原結構中采用CN標準組(0組游隙)6312軸承，其游隙值為8～28μm，其同型C3(第3組)，C4(第4組)軸承徑向游隙值相應增大，見表2。

表2 圓柱型內孔深溝球軸承游隙(軸承內徑為50～65mm)

將實驗車輛的過橋軸承更換為6312-C3(GB/T 276—1994)第3組游隙軸承后，進行臺架實驗，其過橋溫升變化曲線如圖7所示。實驗結果表明：同更換軸承前相比，使用第3組游隙6312軸承的車輛在運行過程中過橋溫升情況得到顯著改善，尤其在高速檔位運行時，過橋處溫升過程平緩，能夠較長時間穩定在軸承及密封件正常工作允許的范圍內，沒有發生損壞現象。過橋在高速轉動時溫度分布較之前均勻，潤滑油脂無溢出現象，同時車輛運行時的噪聲、振動等指標也有明顯改善，如圖8所示。

圖7 改進后過橋溫度變化曲線

圖8 改進后高速運行時過橋熱成像圖

5 結 語

鉸接四驅型防爆無軌膠輪車作為煤礦輔助運輸的重要車型，市場保有量較大，其過橋結構在礦方使用過程中故障率高，可靠性低的情況較為突出。本文提出了通過增大過橋軸向安裝間隙和更換大游隙組軸承來對過橋結構進行改進的方法。該方法無需更改回轉鉸接機構和過橋組件的原有結構，無需對原有機加件進行再加工，改造成本低、速度快，改造后過橋在高速運行時的溫升情況得到明顯改善，提高了過橋結構的可靠性，延長了使用壽命，同時降低了過橋結構對裝配精度的要求，消除了潛在的安全隱患，可在生產及維修過程中進行推廣。