采煤机行走部齿轮故障分析与诊断

张继军

（陕西能源职业技术学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

随着机械设备故障诊断水平提升，降低了因机械故障引起的经济损失以及人员伤亡。采煤机是煤炭产业常用的机械设备，由于煤炭产业发展，采煤机种类多种多样，功能更加齐全[1]。采煤机结构比较复杂、工作环境恶劣，行走部是其故障高发部件。采煤机发生故障，必须暂停煤矿生产工作，经济损失巨大。

1 齿轮故障类型

齿轮是传递动力的主要机构，因材料、工作条件等方面影响，齿轮故障形式也有所不同。

（1）齿面耗损。润滑油清洁度低或者油量偏少，极易出现齿面磨损问题，导致齿廓有一定改变，甚至因过度磨损而出现断齿现象。齿面磨损主要包含正常磨损、表面磨损和干涉磨损等3 种情况。正常磨损是指在使用齿轮初期，发生缓慢且无法避免的磨损，缩短齿轮使用寿命，严重影响齿轮运行性能。表面磨损是指因润滑油性能不佳，其性能随之下降，摩擦系数有一定程度提高，使得齿轮表面磨损速度更快，造成齿廓出现变形现象[2]。干涉磨损是指齿顶以及齿根部位出现磨损，在这种情况下，会导致齿根位置出现沟槽。此外，因润滑油混合杂质，当齿轮啮合存在相对运动时，使得齿面材料发生错位，加上受到化学物质腐蚀，使得齿面出现剥蚀，导致齿面整体存在凹痕或者晶界遭受氧化，齿面部分位置存在红棕色锈迹。齿轮进行热处理过程中，因受到氧化而导致齿轮表面存在不规则凸起的现象。

（2）塑性变形。塑性变形是指出现无法恢复成原状的永久性变形。通常情况下，如果齿轮处于重载，齿面因材料屈服，导致齿轮发生永久性变形。深入分析原因可知，齿面遭受较大应力。因此，故障大多出现在频繁启动的系统中。此外，全齿、局部折断分别出现在直齿轮、斜或者锥齿轮中。导致齿轮折断的因素多种多样，例如，齿轮安装精度不足、齿轮发生松动、齿面精度不足等。另外，齿轮在实际运行过程中，由于机器零件温度过高，导致齿轮发生塑性变形，使得齿轮强度明显降低。同时，在循环载荷的不良影响下，齿轮裂纹会出现扩展现象，严重时还会发生折断。采煤机行走轮强度、抗负荷能力是确保其正常运行的关键，如果行走轮强度较低，会使得无法承载其正常工作负荷。行走轮强度过高，会使得行走轮出现硬度过高的情况，导致行走轮出现非正常断裂。

（3）胶合。重载或齿轮处在高速转动状态下，其表面温度过高，如果使用的润滑剂不良，各齿轮表面的油膜会随之消失，导致一个齿轮表面焊接与另一个齿轮相啮合。在这种情况下，齿面上容易出现划痕状胶合。齿面胶合极易导致齿面出现强烈的磨损，造成传动不稳定，引起齿轮报废。为解决以上问题，相关人员可减小齿轮模数，采用抗胶合的润滑油，均能有效预防齿面胶合故障发生。

（4）出现裂缝及裂纹。齿轮受到热处理、磨削不当、应力大等因素影响，均容易出现裂缝或裂纹问题。此外，齿轮实施热处理过程中，由于内应力大，容易发生裂纹，这种情况在淬火阶段最为常见[3]。

2 齿面严重磨损的原因分析

采煤机单牵引运行中容易出现严重磨损问题，这是由于采煤机仅有一侧处在正常运行状态，另一侧并未给采煤机行走提供所需动力。采煤机在实际运行中，只有一组行走部位可以承担相应的行走动力，导致行走部相关部件承受较大载荷，造成齿轮啮合面出现较大摩擦，使得驱动轮行走轮齿出现严重磨损。

（1）单侧行走部因行走部与牵引部支持动力传递的花键轴损坏。由于牵引部提供的行走动力无法传递至行走部齿轮上，从而出现另一侧行走部单牵引采煤机处在运行状态。采煤机配置的2 台牵引电机，如果有一台损坏或者无法正常工作，就会影响采煤工作顺利展开。牵引机中某一传动副失效，则动力难以实现传输。

（2）采煤机导向滑靴严重磨损，丧失对于行走轮导向控制作用。因工作面起伏较大，采煤机实际工作时，单侧行走部导向滑靴会出现翘起的情况。行走轮处在非正常工作状态，极易出现另一侧驱动轮、行走轮需要承担更大的承载，在一定程度上加速齿面磨损。受配置、设计等因素影响，使得刮板输送机与采煤机齿轨轮出现超差问题，导致齿轨轮中心距出现超差，导致行走箱和齿轨轮面临磨损。

受制造工艺影响，采煤机工作中或多或少会出现一定缺陷，导致行走部齿轮品质难以得到有效保障，其耐损性能明显下降，极易出现磨损问题。对煤矿进行开采作业时，比较常见的是地板凹凸不平或刮板输送机出现齿轨脱离等一系列问题。采煤机导向滑靴或齿轨轮与输送机之间的衔接部处发生卡阻等问题，会导致采煤机行走箱发生齿轨断裂等。如果情况比较严重，必然导致采煤机出现掉道事故。采煤机工作面向着俯角进行开采，其重点向着煤矿侧方进行倾斜，使得导向滑靴和齿轨运行相互偏离，依次出现较大缝隙，导致齿轮与齿轨存在差距。如果齿轮吻合后出现的中心距大于预期值，二者间的啮合部位偏向节圆上部，促使齿轨轮齿顶的硬化层发生塌落，由此出现齿轮或齿轨轮发生磨损或者断裂等情况。

（3）热处理未满足设计要求。采煤机配置的行走轮、驱动轮齿面的渗碳层深度、硬度实施热处理时，并未满足设计要求，齿面无法获取良好的硬度及耐磨性。

3 预防措施

3.1 做好日常维护工作

检修班组需要做好日常维护工作，严格按照日检、周检、月检各项要求进行检查和维护工作。必须注意，采煤机的行走部件螺栓是否发生松动，运行中是否出现声音、温度等异常，这些均是每天必须检查的项目，便于及时发现、处理问题，避免隐患逐步扩大，引起更严重事故。此外，对于导向滑靴、销排等，也要做好相应的检测与维修工作。由于磨损量的限制，如果销排和导向滑靴之间磨损量较大，会出现啮合问题。替换耐磨层剩余较少的零构件，对其实施重堆焊后方可再次使用，避免销排与导向滑靴因磨损超量发生损坏现象，提升采煤效率。

3.2 优化行走轮处理工艺及材料

分析采煤机发现，大部分采用18Cr2Ni4WA 制作行走轮。目前，普遍采用的电渣重熔钢，能有效提高渗透层厚度，使得电渣重熔钢使用年限有所提升。从整体看，行走轮使用新材料后，其耐磨性、结构强度均有显著提高。

4 实例

4.1 存在的问题

本次研究选取MG300/720-AWD 采煤机为对象，分析其行走箱行走轮轴问题，提出相应对策。采煤机在煤矿井下使用过程中，因受地质条件变化及刮板输送机推进操作的影响，使得导向滑靴和底托架对行走轮轴出现较大轴向力。

行走轮轴由于多重作用力的影响，容易发生变形，一旦出现变形，行走轮轴与行走箱壳体之间的配合面出现较大的径向作用力，直接影响行走轮轴拆装。行走轮长时间和烧结一起转动或者外窜切断压板，导致底托架和导向滑靴报废。

行走轮和轮轴间使用滑动轴套间隙相互配合，由于遭受煤粉尘，导致行走轮轴处油孔堵塞，润滑失效，行走轮与轮轴烧结无法正常转动，促使压板与轴端M12 内六螺栓出现剪切断裂，使得行走轮轴发生外窜。

4.2 改进方法

通过研究，对采煤机行走轮结构进行改造，将原行走轮圆头转变为方头，节省压板。将底托架原直径（130 mm）圆孔铣削为方孔（140 mm×240 mm），在一定程度上增加抗剪能力，防止行走轮轴与行走轮烧死后和底托架、滑靴发生相对转动的情况。从联结方法上分析，方头轴和底托架方孔使用8 个M16 的内六角螺栓进行连接，用于加大行走轮轴和底托架之间的压紧力，促使行走轮上压紧力比轴向力大，不会发生外窜。MG300/720-AWD采煤机改进后，设备故障明显减少，使用效果理想。

5 结论

煤矿开采作业中必须使用采煤设备，采煤机具有较强的平稳性，能满足底板起伏或中心距发生改变等问题。如果采煤机行走部齿轮发生故障，会使得整个采煤机应用效率下降。因此，必须做好采煤机行走部齿轮故障防治与维护工作，充分发挥其在煤矿开采中的作用，大大提升煤矿开采效率。