采煤機齒軌輪失效原因分析及預防措施

王晟東，蘇曉靜，徐凌雪，王培科

西安煤礦機械有限公司 西安 710032

1 序言

采煤工況呈多樣性、環境復雜惡劣，采煤機在地質條件復雜的采煤機工作面上，齒軌輪通過與刮板運輸機銷排的嚙合帶動采煤機在刮板運輸機上的往復運動，以實現采煤機的割煤及裝煤工作。齒軌輪傳動系統屬低速重載的開式傳動，潤滑條件差，粉塵嚴重。因此，采煤機在工作中經常發生失效，致使采煤機無法正常行走，影響正常生產，所以研究采煤機齒軌輪的失效原因，采取合理的預防措施，以提高采煤機齒軌輪傳動的可靠性，對齒軌輪質量的改進及提高具有重要的指導意義。

2 齒軌輪失效形式

采煤機齒軌輪在使用過程中，經常發生斷裂失效、磨損失效、剝落失效、變形失效，且經常是以上兩種或多種的復合失效。

在斷裂失效方面，齒軌輪的斷裂部位經常發生在齒輪節圓與齒根的交界處，斷口比較齊平，一般斷口呈現一次脆性斷裂特征，同時伴有齒面節圓部位的磨損，如圖1、圖2所示。

圖1 齒軌輪斷口形貌

圖2 齒軌輪斷裂位置

在磨損方面，齒軌輪屬開式傳動，環境惡劣，常見為磨粒磨損，齒面及齒頂經常被磨光，如圖3、圖4所示。

圖3 齒軌輪齒頂磨光

圖4 齒軌輪輪齒磨損變形

在變形與剝落方面，齒軌輪在使用過程中經常受到沖擊載荷，表面的硬化層已剝落，隨著硬化層的嚴重剝落，輪齒寬度變窄，易發生彎曲變形，如圖5、圖6所示。

圖5 輪齒剝落形貌

圖6 輪齒剝落變形

3 齒軌輪失效原因分析

3.1 齒軌輪與銷排的傳動特性分析

采煤機齒軌輪與銷排之間的嚙合屬開式傳動，適用于低速、重載、粉塵多、潤滑差的工作環境，從理論上分析，這種傳動屬非共軛嚙合[1]，其傳動比不恒定，特別是在銷排與銷排連接處有突變，會使齒軌輪出現卡死現象，彎曲應力瞬間增大，嚴重時就可能導致齒軌輪非正常斷齒。

3.2 齒軌輪受力狀況分析

采煤機工作時，由于齒軌輪與銷排為非共軛嚙合傳動，隨著嚙合點的變化，壓力角和法向力都是變化的，牽引力也是變化的，當遇到較大的沖擊載荷或其他原因造成齒軌輪上所受的力超過材料的強度時，就會引起輪齒的斷裂[2]。

齒軌輪與刮板運輸機的銷排采用近似齒條嚙合原理實現采煤機前進，導向滑靴對采煤機起著導向及支撐作用，因采煤機自重大，導向滑靴在使用過程中，其內表面與銷排表面發生滑動摩擦，故易使導向滑靴發生磨損，當導向滑靴上表面磨損過量且沒有得到修復時就會導致采煤機下沉[3]，造成齒軌輪中心與銷排嚙合線距離變小，致使齒軌輪干涉或斷齒。

3.3 齒軌輪齒形分析

齒軌輪的齒形對齒軌輪傳動具有很重要的作用，如果設計不合理，不但影響齒軌輪壽命，而且會影響采煤機運行時的穩定性和刮板運輸機銷排的使用壽命，目前，采煤機齒軌輪齒形主要分為漸開線型和擺線型。漸開線型分為準漸開線和純漸開線型；擺線型主要分為擺線型和準擺線型，據相關資料分析，詳見表1，從傳動效果由好向壞的排列次序為擺線型、準擺線型、漸開線型。

表1 不同齒軌輪齒形的嚙合效果對比

3.4 齒軌輪材質選用分析

采煤機使用工礦惡劣，齒軌輪與銷排嚙合過程中有煤粉及矸石粉，屬無潤滑的開式傳動，同時，采煤機有時還要過斷層，切割矸石，或者齒軌輪過銷排的連接處及隨著銷排磨損節距的變化，齒軌輪經常受到較大的沖擊載荷，且瞬時尖峰荷載可高達額定功率的數倍，因此要求齒軌輪的材質不僅有好的耐磨性，又要良好的耐沖擊性能，即要求齒軌輪有高的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度及承載能力，根據齒軌輪的實際使用狀況，一般選擇wC=0.10%～0.25%高淬透性低碳合金鋼，以保證齒軌輪心部有足夠的韌性與塑性，經表面滲碳淬火后，獲得良好的耐磨性，以滿足重載服役的條件，另外要考慮材料的購買成本及工藝制造成本。

3.5 齒軌輪熱處理工藝分析

齒軌輪使用條件決定了其表面要耐磨，心部韌性好，現在目前齒軌輪選用的材質為低碳合金鋼20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、17Cr2Ni2MoA等，常用熱加工工藝為：鍛造→正回火→滲碳淬火。其常見的熱處理組織缺陷為粗大鍛造組織遺傳、內氧化、表面存在非馬氏體組織、粗大碳化物、粗大馬氏體及大量殘留奧氏體等。

這些不良組織缺陷會導致齒軌輪的沖擊韌度、耐磨性、彎曲疲勞強度降低，易使齒軌輪發生早期失效。

4 齒軌輪失效預防措施

4.1 齒軌輪齒形設計與銷排嚙合方面

首先，采用三維模擬軟件，設計合理的齒軌輪齒形，比如，經有限元建模分析，模數為40mm的齒軌輪宜采用擺線型，它的速度波動比、加速度波動、加速度波動比最小，使齒軌輪與銷排的嚙合更穩定；其次，改變銷排的連接方式，提高銷排的加工精度，減小銷排的加工尺寸誤差，降低銷排連接處的節距變化，設計合理的浮動銷排，利用浮動銷排調節節距的作用，使銷排與齒軌輪嚙合的實際中心距接近恒定，使兩者嚙合趨于更加平穩，減少齒軌輪的沖擊載荷，防止齒軌輪卡死；最后，及時更換已磨損的導向滑靴，導向滑靴的磨損使采煤機下沉，造成齒軌輪中心與銷排嚙合線距離變短，致使齒軌輪發生干涉，從而發生早期斷裂失效。

4.2 齒軌輪選材及熱處理工藝方面

（1）齒軌輪的選材 齒軌輪主要是低速重載，使用環境惡劣，一般尺寸較大，且受沖擊載荷，根據齒軌輪的實際情況，一般選擇合金滲碳鋼，不僅要考慮齒軌輪滲碳淬火后齒面及心部力學性能滿足低速重載的服役條件，還要考慮鋼種的熱處理工藝周期及成本。目前，齒軌輪材質主要有20Cr2Ni4A鋼、18Cr2Ni4WA鋼、17Cr2Ni2MoA鋼等，它們的共性就是淬透性較好，均屬高合金滲碳鋼；在材質的力學性能、淬透性方面分析，18Cr2Ni4WA鋼綜合力學性能最好，適合制造尺寸較大的齒軌輪，且彎曲疲勞強度及耐磨性最好；在材質的市場價格方面，18Cr2Ni4WA鋼的價格最高；在熱處理工藝成本方面，17Cr2Ni2MoA周期短，成本最低，因此，要結合齒軌輪的尺寸及使用條件，選擇合適的齒軌輪材質，同時，對所選材質的非金屬夾雜、帶狀組織、低倍組織進行合理的要求，以提高齒軌輪的使用壽命。

（2）齒軌輪熱加工工藝方面 首先，要嚴格按照鍛造工藝，選擇合理的鍛造比及鍛造流線，以獲得均質及最優化的齒軌輪鍛造流線，制定合理的始鍛及終鍛溫度，采取復雜的預備熱處理，消除粗大的鍛造組織及混晶組織，防止組織遺傳[4]，以避免在隨后的滲碳淬火過程中產生粗大的馬氏體及異常組織，降低齒軌輪的沖擊韌度。

其次，采用合理的滲碳淬火工藝，使表面滲碳層碳濃度在0.85%～1.00%，滲層中馬氏體及殘留奧氏體級別為2～3級，表面內氧化層級別為1～3級，晶粒度級別為7～8級，以得到合適的有效硬化層深度及心部硬度，這樣，就會有效提高齒軌輪的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度、過載承載力，使齒軌輪最終獲得更高的使用壽命。

5 結束語

總之，齒軌輪是采煤機的易損件，應依據其失效原因，采用合理的齒形設計、選材、加工及熱加工工藝，以提高齒軌輪的使用壽命。