基于失效机制的链轮组件优化研究

张磊

（兖矿集团大陆机械有限公司，山东 济宁 272109）

矿用刮板输送机由于其机身矮、可弯曲、运输能力强，能适应综采工作面狭小的作业空间，使其成为综采工作面上唯一的连续运输设备。在刮板机整机强度满足要求的前提下，作为刮板机核心部件的链轮组件性能是保证刮板输送机正常运转的前提，由此可见链轮组件的高性能成为提高刮板输送机运行可靠性的关键因素之一。目前链轮组件失效主要表现为链轮齿面磨损失效、裂损失效、密封失效等。链轮齿面磨损是由物料（煤、矸石、岩石等）以及运动的刮板、圆环链与链轮产生相对运动而造成的一种磨粒磨损和金属件磨损同时存在的混合式磨损，当链轮齿面的耐磨损能力不足以持续抵抗混合式磨损力时，便会出现链轮齿面磨损失效；链轮的材料、热处理工艺不能适应交变应力的反复作用、局部高应力，就会出现塑性变形，致使链轮出现裂纹或缺损，最终导致链轮组件裂损失效；轴承置放位置不合理、密封件安装不当、链轮偏载、润滑不及时等都会导致链轮密封失效。可见如何提高链轮组件的耐磨性能、强度以及密封问题是当前急需解决的问题。

1 链轮组件的结构设计

兖矿集团大陆机械有限公司组织人员到兖矿集团综机中心和国内各大矿井综采队、综采工作面现场参观学习并咨询采煤一线工人的使用情况和意见、建议，结合国际刮板机链轮的设计情况，在综合分析研究的基础上，经过计算， 设计了一种新型链轮组件（图1），主要由双向外花键链轮轴、自带润滑孔轴承、分边对称轴承座、耐温坚韧型浮动油封、整体锻造链轮体等组成，该链轮组件有以下特点。

图1 链轮示意图

（1）在链轮材质上，通过化学成分、碳当量、冷裂敏感指数等理论分析及实验，最终加入Ni、Mo、Va 等数种微量元素，形成新的材料配方，同时优化热处理工艺，使链轮体齿面淬火硬度在HRC52 至HRC56 之间，既保证了链轮的强度，又增强链轮组件的耐磨性能，还避免了因硬度过高而使链轮齿易脆断的情况出现。

（2）在密封形式上，链轮组件采用浮动密封环式旋转密封,又称油膜密封，是一种液体密封件，集浮环密封、间隙密封盒梳齿密封于一体，并运用油膜张力有效阻止泄漏的一种高性能密封。此种密封件由内浮环（高压环）、外浮环（低压环）、弹簧、密封圈和防转销等密封元件组成。浮动油封成对使用，在使用的过程中，浮封环在油膜压力作用下，呈现浮动状态，克服了固定套容易发生的磨损现象。

（3）链轮组件的轴承座分别对称置于镶入刮板输送机的机头架（机尾架）支撑区域内，既能保证受力状况好，又能增强对轴承的保护，在同等负载下相对增加了链轮组件的耐冲击能力。

（4）链轮组件采用远程注油方式润滑（外置悬挂油箱）。外置油箱悬挂在刮板输送机的机头和机尾的挡板上，外置油箱设有进油口和油位口。油箱的进油口设在外置油箱的底部，润滑油经外置油箱进油口的软管与链轮组件的进油口相连，为链轮组件及时补充润滑油。外置油箱顶部设有油位口，此端口经软管与链轮组件的排气口相连，既能排除链轮组件运动中产生的气泡，还能实时监控油箱内的润滑油位。链轮的双向外花键链轮轴内有一个两端相通的输油孔，安装后此孔与链轮组件的轴承润滑孔相通，实现了链轮组件的实时润滑，解决了困扰综采工作面用链轮组件润滑不及时的问题，增强了链轮组件的使用寿命。

（5）为增强设备的通用性，减少用户设备备件数量，将链轮组件设计成双出轴的形式，即链轮组件两端均为与减速器内花键相啮合的外花键。此种结构既实现了刮板输送机机头和机尾链轮组件的通用，还实现了左右工作面用链轮组件的通用，增强了链轮组件通用性、互换性，减少了用户对设备备件的经济投入，节约了成本。

2 利用三维造型实现重型刮板机链轮数控编程设计及机械加工研究

（1）根据兖矿集团大陆机械有限公司现有设计、工艺和生产组织条件和现有设备的配置情况，结合链轮组件的加工工序等，优化设计、工艺、生产等资源配置形成了链轮三维建模编程流程图，如图2 所示。

图2 链轮三维建模编程流程图

（2）利用兖矿集团大陆公司现有的设计、工艺资源，进行链轮组件的模拟加工过程进行仿真加工，分析解决仿真中出现的问题，经过多次试验、模拟最终形成一套符合大陆公司生产实际的生产指导数据（图3、4）。

图3 链轮齿形的建模加工过程

图4 链轮模拟切削与实际加工的偏差值

（3）链轮齿形的热处理。为保障链轮齿面性能，兖矿集团大陆机械有限公司特别研制了具有知识产权的链轮齿面热处理装置，该装置包括电源、变压器、感应加热器和冷却系统。变压器的一端与所述电源电连接，另一端与所述感应加热器电连接，所述感应加热器包括由铜管多匝缠绕而成的轮齿状线圈壳体，并且相邻所述铜管之间设有可调节的空隙，所述线圈壳体内部具有供所述链轮的轮齿插入的空腔，所述铜管的横截面为矩形。

通过以上措施、研究出更加合理的链轮结构和加工工艺，使链轮的硬度达到HRC52 至HRC56 之间，有效淬硬层深度超过13mm，提高了链轮组件的强度、冲击韧性和耐磨性，借以延长链轮的使用寿命（图5）。

图5 链轮淬火示意图

3 结语

采用以上方法研制的矿用刮板输送机链轮，结构合理，强度充足有余，便于维护、运行平稳，提高了刮板输送机的运行可靠性，能很好地满足煤矿高产高效的现代化生产要求，具有广阔的推广和应用前景。