采煤机行走轮齿断齿原因分析与改进措施研究

王忠民

（大同煤矿集团有限责任公司同家梁矿业公司，山西大同 037000）

0 引言

在井下煤炭的开采过程中，采煤机的作用尤为重要，因此，对井下作业而言，其可靠性与安全性影响极其深远。对于采煤机而言，其外牵引损坏形式主要为行走齿轮的轮齿断裂，若轮齿出现非正常断裂，那么不仅会影响设备正常运行，而且还会因地质条件的不断加剧，从而致使损坏程度更加严重。因此，对行走齿轮的断裂与磨损问题的研究势在必行。本文基于对大量行走齿轮轮齿断裂状况的分析，并结合有关文献，对产生轮齿断裂因素进行分析，最后在此基础上提出了相应的改善与优化措施[1]。

1 行走齿轮损坏现象

对于采煤机而言，行走齿轮不仅是其外牵引的执行元件，还是其众多零部件中最易损坏的一种，因其传动多为开式，故而其工况条件极为恶劣。通常行走齿轮与销排啮合的传动方式为非共扼啮合，通过改变啮合角度实现对牵引力和压力角的改变。因井下坡度的不同，故而常会致使工作中的行走齿轮随着采煤机的变化而出现中心距的改变，从而导致其销排节距出现偏移或是磨损等状况，进而造成销排与行走齿轮的啮合条件加剧，最终出现齿根断裂、齿侧剥落以及齿面磨损严重等问题[2]。

2 行走齿轮损坏原因分析

基于同种工况下不同行走齿轮与非同种工况下同种行走齿轮的对比，对行走齿轮轮齿断裂问题进行分析。

2.1 行走齿轮形状和工艺的影响

据跟踪调查发现，在同种工况下，因不同行走齿轮的不同寿命，从而致使其齿根与齿长在过渡圆角偏小时常会出现断裂的状况。对于行走齿轮而言，当其轮齿较长时，常会出现销排齿座的干扰状况，不仅如此，还会在啮合过程中提升相互摩擦，从而导致齿轮转动困难的状况，最终出现断裂、磨损以及憋卡等现象；而当齿根的过渡圆角较小时，因齿根强度的降低，故而在其承受较大的弯曲应力时常会出现应力集中状况，从而致使断齿或是裂纹等状况的出现[3]。

2.2 工况及连接部件的影响

在非同种工况下，对于同种行走齿轮而言，所表现的效果差异极为明显。当所处施工环境为刮板输送机销排布置平顺、巷道平稳或是煤层较软无夹矸时，其使用寿命均相对较长；反之，当煤层的夹矸较多，且较为坚硬时，因其滚筒截齿受力的提升，故而常会致使冲击载荷的形成，从而导致齿轮磨损状况的发生；当行走齿轮进行井下爬坡时，因其不均衡的受力状况，故而常会出现单行走齿轮的磨损或是压溃等状况[4]。

对于行走齿轮而言，其寿命的长短主要取决于销排的布置状况与自身质量，因多数销排均为铸造件，故而均普遍存在着表面粗糙、圆角和倒角处理不当等问题。在安装刮板运输机溜槽时，不仅要确保水平弯曲≤±10，还要保证垂直弯曲≤±30。如果井下的工况或是安装未达到事前条件，那么将会致使销排节距无法实现相互接触。对于存在倾角的工作面而言，因其坡度使得销排存在由机尾滑向机头的趋势，从而导致接口间隙过小，进而造成接口处节距过小的问题发生。

若节距降低时，将会产生滞后啮合，且因负荷的提升使得自身出现严重变形与压溃；若过程中存在起伏，那么将会致使销排与其出现相互撞击，从而导致设备坏损。如果增大其节距，抬升采煤机，则销排侧板与导向滑靴下钩将会紧密相连，若导向滑靴发生磨损现象，将难以保护行走齿轮。

平滑靴主要用于采煤机的支撑以及规范其行走方向的作用。在具体应用中需要接触到较大的压力，所以磨损相对较快，若其磨损超过规定范围，将会影响采煤机平衡，令其倾斜向煤壁侧，令导向靴与行走齿轮向上倾斜，销排和行走齿轮之间的啮合受影响，加快磨损其沟槽，挤压行走齿轮齿侧，令其磨损进一步加剧。所以，为使行走齿轮寿命有所延长，需要对平滑靴底面磨损情况予以控制[5]。

3 行走齿轮磨损断裂问题的改进措施

3.1 材料的改进

与厂家合作时，最初选择40CrNiMo作为行走齿轮所需材料，通过热处理后，其芯部硬度处于HRC32-35之间，其齿面硬度处于HRC52-56之间，对此，为令其耐磨性有所提升，和厂家协商后决定将钨添加在行走齿轮材料内，并调整了其热处理工艺，最终得到18Cr2Ni4W。表1为上述两种材料相关性能对比。

18Cr2Ni4W属于低碳合金钢，所以其工序整调了渗碳环节，其表面淬火可以由整体淬火所取代。当其热处理工艺与材料改变后，其渗碳层深度处于1～2.4 mm之间，其芯部硬度则介于HRC38～HRC42之间，齿面硬度则处于HRC58～HRC62之间[6]。

表1 两种材料的机械性能

3.2 导向滑靴的改进

导向滑靴在采煤机工作时不仅具有支撑与导向作用，还能在一定程度上保护行走齿轮，所以，当其发生磨损后对行走齿轮会产生一定影响，致使其下沉，同时啮合线的位置也会发生改变，向下移动，若其达到行走齿轮的齿根圆处时会与其承受的扭矩相接近，在磨损其硬化层后，会令该部位产生形变，甚至齿形弯曲。加工导向滑靴后，会令其横向与纵向之间的间隙得到保障。此外，容易损坏之处还包括其沟槽处，采取焊接耐磨条的方式有利于磨损程度的降低，使行走齿轮得到保障。

3.3 行走齿轮齿形的改进

现如今，摆线与渐开线是行走齿轮较为常见的两种齿廓形状，若采煤机功率相对较大，则选择前者，若功率较小，则选择后者。例如行走齿轮若属于大功率线型，便可优化其齿根圆与轮齿长度的圆角，令其加工精度有所提升，且能有效避免尖棱尖角与刀痕。使其刮板运输机与行走齿轮的啮合性能得到有效改善，冲击载荷有所减小。

当前齿廓形状利用新工艺与新材料予以优化后得到的新行走齿轮。现如今，在实际使用过程中已较为常见，其应用范围明显扩大，并且与之前相比其寿命与性能得到明显提升，其寿命能够达到原有3倍[7]。

3.4 其他影响因素的改善

实际上，行走齿轮和销排齿轮齿条的啮合原理具有一定相似之处，且行走齿轮寿命与销排的安装精度、磨损程度以及表面粗糙程度和齿廓形状具有一定关系。所以对销排进行选择时，不仅要有较少的缺陷，还应具有较高的精度，在安装时也应严格依据相关行业规范进行，为延长其使用寿命，对行走齿轮、平滑靴以及销排与导向滑靴等均应定期检查，若发现有较大磨损，应及时进行维修或更换，从而减少或避免其他部件受到影响[8]。

4 结语

对行走齿轮轮齿断裂与磨损的原因进行分析时，跟踪研究了大量采煤机的行走齿轮，并根据具体原因提出了与之相应的解决方案，通过与厂家协商改进了销排、导向滑靴与行走齿轮等较为突出的问题，并取得了显著成效，明显提高了其使用寿命。然而与井下需求与设计相比，其实际使用寿命还需进一步提升，若要令其效果达到较为理想的状态，应对其进一步改进，首先进一步分析啮合运动整个运动过程，同时根据井下工作具体环境对其进行调整，为安全可靠的运行采煤机提供保障。