采煤机截割摇臂传动故障分析

许昌忠

(大同煤矿集团公司煤峪口矿)

采煤机截割摇臂传动故障分析

许昌忠

(大同煤矿集团公司煤峪口矿)

截割部摇臂齿轮箱是采煤机的动力传递装置，从安装方式、受力、工作环境等方面分析了其易产生故障的原因，并对摇臂齿轮箱齿轮和轴承破坏形式进行了分析，为有效排除采煤机故障提供了参考。

采煤机 摇臂齿轮箱 故障分析

我国已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的33.8%，可采量位居世界第二位，产量位居世界第一位。煤炭在我国一次性能源结构中占到70%以上，因此，煤炭工业在国民经济中的基础地位是长期的和稳固的，具有不可替代性[1-2]。

目前，随着采煤机生产能力的飞速提高，高强度的生产模式导致设备的老化加剧，故障率大幅度增加，一定程度上制约了工作面产量的稳步提高，影响了煤矿高效生产。采煤机截割部摇臂齿轮箱为传递截割动力部件，是采煤机的关键部件。据统计，摇臂齿轮箱故障约占采煤机故障率的34.2%，而且有增加的趋势[3]。因此，研究分析采煤机摇臂齿轮箱常见故障及原因，对于提高采煤机可靠性，确保煤矿高效安全生产十分有必要。

1 采煤机

1.1 采煤机组成

采煤机主要由截割部、牵引部、电气控制箱以及附属装置等部分组成。截割部主要由截割滚筒、截割电机、截割摇臂、齿轮箱以及调高装置等部分组成，牵引部主要由牵引部齿轮箱以及行走机构等部分组成，电气控制箱主要由各类控制电器、保护电路、显示装置以及报警装置等部分组成，附属装置通常包括导向装置、油箱、破碎机、冷却系统以及喷雾系统等。

1.2 采煤机工作原理

截割电机通过摇臂齿轮箱传递动力给滚筒，利用截割部滚筒旋转割煤，截齿滚动旋转完成落煤，落下的煤块抛落到刮板输送机溜槽内，再通过皮带等运出工作面。

1.3 摇臂齿轮箱结构

摇臂齿轮箱是采煤机的重要的传动装置，采煤机截割部通过摇臂耳座与采煤机机身连接(图1)，滚筒的位置根据工作面煤层高度通过调高油缸调整。在井下现场，由于摇臂箱安装方式特殊，受工作面振动、粉尘等影响明显，其工作特点：①采煤机摇臂齿轮箱与普通齿轮箱相比，是随着采煤机截割部上下而一起移动的;②采煤机摇臂齿轮箱所受载荷是非均匀的，随时受到煤块等的冲击;③采煤机摇臂齿轮箱所受振动源比较多，如截割电机、牵引电机、摇臂、采煤机行走时的啮合振动;④由于井下作业，采煤机摇臂箱受到工作面粉尘、煤尘以及喷水等的影响。

图1 采煤机截割部

由统计数据可知，高速区故障占摇臂齿轮箱总体故障率的42%，主要表现为高速齿轮齿面胶合和擦伤；低速区故障占总体故障率的30%，主要表现为断齿以及轴承故障。

2 采煤机故障分析

2.1 摇臂齿轮箱齿轮故障分析

齿轮工作失效的原因有制造工艺、装配工艺或者操作维护不当等。据统计，齿轮失效在齿轮箱零部件失效故障中约占60%[4]。

(1)齿面磨损。齿轮在啮合时，表面产生的摩擦损伤为齿面磨损。齿面磨损可能造成齿轮改变，增大误差，降低传动效率，甚至造成断齿。齿面磨损可以分为腐蚀磨损与磨料磨损。腐蚀磨损是指润滑油中的酸性成分与齿轮产生化学反应，形成腐蚀。磨料磨损是指润滑油不足、油质变质或者齿轮表面有金属颗粒导致剧烈摩擦，加大振动和噪声。

(2)齿面胶合和擦伤。由于润滑条件不合适，使得重载或者高速传动系统齿轮间油膜破裂，啮合齿面直接接触，齿面的金属熔焊在另一个齿面上，产生严重损伤。齿面胶合可以分为冷胶合与热胶合，冷胶合是由于局部压力过大，油膜破裂形成；热胶合则是由于温度过高，油膜破裂形成的胶合。

(3)齿面接触疲劳。齿轮啮合时有滚动与滑动，产生切应力，在切应力的不断作用下，齿轮局部产生金属剥落造成点蚀损伤。点蚀损伤一般可以分为麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落。麻点疲劳剥落是指深度小于0.1 mm,直径小于1 mm 的点蚀、片状的疲劳损伤；浅层疲劳剥落是指比麻点剥落深、直径大的剥落损伤；硬化层疲劳剥落是指块状剥落，深度达到硬化层过渡区。

(4)断齿。由于啮合传动时受到冲击载荷等其他原因，导致齿轮强度降低，其根部出现裂纹并逐渐发展，降低了齿轮的承载能力，产生断齿。

2.2 摇臂齿轮箱齿轴承故障分析

2.2.1 滚动轴承故障机理分析

滚动轴承振动产生的原因主要是由其自身结构特点和轴承故障，导致轴承损坏。其振动机理如图2所示。

图2 滚动轴承振动机理

(1)滚动轴承自身结构特点造成的振动。滚动轴承为回转支承构件，当受到回转轴载荷时，其受力根据位置不同表现为扇形分布。当滚动轴承旋转时，处在最下面的滚动体由载荷中心线朝着非载荷中心线的位置移动，接触力从大到小，使得轴颈中心发生了位移。由于滚动体位置的变化，轴颈中心既产生上下方向的微动，也产生水平方向的微动。由此可知，当滚动轴旋转时，滚动体每经过载荷中心线时其受力就发生一次改变，即周期性冲击。

(2)滚动轴承故障造成振动。如果轴承润滑不良、受力过大，滚动轴承内外圈滚动体就容易产生剥落、裂纹等损伤，随着滚动轴继续旋转就会逐渐产生振动。

2.2.2 滚动轴承故障分析

(1)磨损失效。润滑条件不好或者润滑油变质等原因，轴承旋转时存在机械摩擦或者小颗粒磨损，使轴承滚动体上产生不均匀划痕。如果磨损持续进行，轴承游隙变大，接触表面更加粗糙，甚至旋转精度下降，增大了振动与噪音。

(2)疲劳失效。轴承滚动体或滚道表面出现点蚀以及剥落现象。 滚动轴承高速旋转时，接触应力会对其反复冲击，而滚动体与内外圈的接触面小，产生的接触压力大，使得轴承元件表面出现点蚀以及剥落，甚至产生小凹坑，使轴承失效。

(3)断裂失效。轴承零件通常会因为磨削或者载荷过大而发生断裂，有时候也会因为热处理不到位产生破断。

(4)压痕失效。过载、撞击以及异物进入滚道等，造成部件上局部形变的产生。另外，压痕也可能是因为轴承装配问题造成的。

(5)胶合失效。由于滚动体和滚道表面过热而融合在一起导致的失效。一般发生在高温、高速和重载的情况下。

3 结 语

(1)采煤机截割部摇臂齿轮箱是传递动力的装置，从安装方式、受力振动、工作环境等方面分析了其易产生故障的原因。

(2)总结了摇臂齿轮箱齿轮故障的主要形式及故障原因，着重分析了齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳以及断齿4种失效情况。

(3)总结了摇臂齿轮箱轴承故障的主要形式及故障原因，着重分析了磨损失效、疲劳失效、断裂失效、压痕失效以及胶合失效5种情况。

[1] 王 研,李京文.我国煤炭消费现状与未来煤炭需求预测[J].能源管理，2008,18(3):152-154.

[2] 李 静,况明生.中国能源特点和可持续发展战略[J].国土资源科技管理，2009,26(4):60-64.

[3] 张军辉.我国煤矿采煤机的研制回顾、现状以及发展[J].煤矿机械，2008,29(3):1-3.

[4] 刘宗政,陈 恳,陈振华，等.滚动轴承的振动特性分析及典型故障诊断[J].机械设计与制造,2009(3):103-105.

2014-11-11)

许昌忠(1974—)，男，工程师，037041 山西省大同市。