矿用梭车蜗轮蜗杆减速器故障分析与改进

刘小霞，惠忠文

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006；3. 煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西太原 030006)

0 前言

国内外现有梭车输送系统中的输送减速器采用的是蜗轮蜗杆减速器(一级圆柱直齿轮，二级蜗轮蜗杆)。蜗轮蜗杆减速器具有体积小、结构紧凑、传动比大和传动平稳的特点，但是在实际使用过程中发现该减速器存在发热大、传动效率低、磨损明显、使用寿命较低等问题，直接影响了梭车的使用性能。某大型煤炭企业进口梭车的保有量为50多台，以1台梭车配备2台蜗轮蜗杆减速器，需要100多台蜗轮蜗杆减速器。减速器的故障不仅会造成停机、停产，而且会对润滑油、重金属材料造成浪费。目前，国内外对煤机设备蜗杆传动减速器的研究较少，迫切需要解决蜗轮蜗杆的耐磨性。本文作者从国产蜗轮蜗杆减速器在使用过程中存在的问题展开分析，研究蜗轮蜗杆的材料、加工、装配和润滑等影响因素，提出有效的解决措施；通过台架试验和井下工业性试验，验证方案的有效性。

1 蜗轮蜗杆减速器存在故障分析

1.1 蜗轮蜗杆减速器结构和参数

该减速器采用二级传动布置方式：高速级为直齿轮，低速级为蜗杆副，其结构形式如图1所示。减速器的主要参数：驱动方式为电机，输入功率为24 kW，输入转速为1 420 r/min，输入转矩为161 N·m，传动比为34.6。

图1 减速器结构

该减速器因齿轮布置在高速级，为获得紧凑的箱体结构，便于润滑，通常取齿轮传动比i<2～2.5，文中取齿轮传动比i=1.87，则蜗轮蜗杆传动比为i=34.6-1.87=32.73。

1.2 蜗轮蜗杆减速器中存在的故障

(1)减速器发热严重、漏油

蜗轮蜗杆传动属于滑动摩擦传动，运行过程中会产生大量的热量导致减速器发热，同时减速器发热引起膨胀，长期的膨胀会导致减速器零部件结合表面产生间隙，这就对密封提出了更高的要求，若密封选型不当或者质量不过关，就会造成减速器漏油的问题。

(2)蜗轮蜗杆磨损严重

蜗轮蜗杆传动过程中存在摩擦接触，若两者之间啮合效果不好，或者润滑不良，会造成磨损加剧。图2所示为国产蜗轮蜗杆减速器使用1个月后蜗轮的磨损图。

图2 减速器蜗轮磨损

蜗轮磨损一般与蜗轮蜗杆的材料、表面质量、装配、润滑和使用环境有关。

因此，造成蜗轮蜗杆减速器故障的原因主要为蜗轮蜗杆材料，包括材料的匹配性、蜗轮蜗杆的表面质量、蜗轮蜗杆的装配质量和润滑，文中主要从这4个方面展开研究。

2 蜗轮蜗杆减速器的主要研究内容

2.1 蜗轮蜗杆材料研究

矿用梭车独特的重载输送机构的运输部分承受着较高的冲击和振动载荷[1]，要求蜗轮蜗杆减速器符合重载传动设计的要求。应用于重载传动、常用的蜗轮蜗杆材料如表1所示。蜗杆传动中常用的蜗轮材料为铸造锡青铜和铸造铝青铜[2]。

表1 应用于重载、常用的蜗轮蜗杆材料

诸多学者对蜗轮蜗杆材料进行了深入研究，结果表明：蜗轮蜗杆材料的匹配性对蜗轮失效形式有很大的影响，与青铜-铸铁蜗杆副相比，青铜-钢蜗杆副中的蜗轮磨损较小；与青铜-铸铁蜗杆副相比，铸铁-铸铁蜗杆副中的蜗轮容易发生胶合且齿面温度较高，传动效率较低[3-6]。

该蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮蜗杆滑动速度vs=3.48 m/s，经化验进口同类配件材料，其蜗杆材料为38CrMoAl，蜗轮材料为锡青铜。因此，蜗杆采用38CrMoAl，调质氮化，蜗轮采用ZCuSn12Ni2。

2.2 蜗轮蜗杆表面质量研究

机械零部件的表面质量是指利用加工工艺生成的工件表面的微观结构特征和物理力学性能的要求[7]。针对某公司制定的“两头在内，中间在外”的开放式搞科研生产体系，即科研设计和成品装配放在公司内部、加工制造委托优势企业完成的创新研发体系，加工制造主要委托优势企业完成。因此，在蜗轮蜗杆表面质量提升方面的建议主要有：(1)加工制造委托具有先进加工装备、技术实力雄厚的优势企业；(2)建立严格的质量管理体系，对蜗轮蜗杆的加工工序、热处理和尺寸检验实时监管，保证每道工序的可追溯性；(3)保证蜗杆的表面粗糙度、齿厚公差在设计范围内，蜗杆的最后一道加工工序为精磨。

2.3 蜗轮蜗杆装配研究

蜗轮蜗杆减速器的装配质量直接影响其传动效率和使用寿命，为保证装配质量，其相关影响因素必须全面保证。

(1)蜗轮蜗杆属于90°交错轴布置，其交错孔之间的中心距即蜗轮蜗杆的中心距与装配质量有很大的关系。因此，在装配之前，应运用三坐标测量仪精确检测壳体，保证蜗轮蜗杆中心距在设计范围内。

(2)该减速器蜗杆与轴制成一体，蜗轮采用镶铸式。蜗轮蜗杆的装配间隙由蜗杆和蜗轮的相对位置保证，通过调节蜗轮装配轴侧的调整垫片厚度确定合适的装配间隙，因此在装配前需测量相关零部件的尺寸链是否正确，保证蜗轮蜗杆的侧隙控制在0.38～0.45 mm。

(3)对于蜗轮蜗杆的装配误差，一般采用着色法定性分析其蜗轮蜗杆齿面重合率，保证接触斑点面积沿齿长方向达到60%以上，沿齿高方向达65%以上。为有利于润滑油膜的形成，接触斑点应偏于齿面出口处。接触斑点的位置和大小可通过调整垫片调整。

2.4 蜗轮蜗杆减速器润滑研究

据统计，国外蜗杆传动中因润滑不合理而导致的轮齿失效占10%，我国则占25%，由于润滑不足导致的减速器故障占34.4%，由于润滑不当导致的减速器故障占19.6%，即因为齿面润滑原因导致的减速器故障大约占54%[8]。

在蜗轮蜗杆副传动中，由于蜗轮蜗杆副线接触压力大，易磨损，从而造成传动机构的几何精度和传动精度降低，或者影响正常使用寿命，这都对线接触蜗轮蜗杆副的摩擦学研究提出了迫切的要求。良好的润滑不仅可以使蜗杆副两齿面形成一定的油膜厚度，避免因齿面的直接摩擦而产生胶合和点蚀失效，而且可以减少重金属的摩擦损失，从而提高蜗杆副的传动效率、降低齿面的工作温度等。这不仅要求减速器结构具备良好的润滑功能，而且要求润滑油具备良好的润滑特性、抗擦伤性能、防锈腐蚀性能和较强的抗氧化能力。

该蜗轮蜗杆减速器属于蜗杆上置式布置，要求蜗轮蜗杆浸油深度为蜗轮外径的1/3，保证润滑油充足，定期更换润滑油。另外，采用专用蜗轮蜗杆润滑油对蜗轮蜗杆减速器的润滑性能有很大的改善，可推荐矿方对该减速器采用专用蜗轮蜗杆齿轮油润滑。

3 试验

3.1 台架试验

(1)传动试验台

该传动试验台可采集减速器的输入功率、输入转矩、输入转速、输出功率、输出转矩、输出转速、壳体温度、油温和振动等数据，同时实时显示减速器的传动效率。

(2)减速器试验时间确定

经调研，梭车每班最多完成90次物料装卸，每次卸料时间约为30 s，装料时减速器基本不工作，故不考虑装料时间。按照一班8 h工作制，梭车每完成一次物料装卸循环使用时间为5.3 min，则梭车每完成一次物料装卸循环减速器的使用时间为30 s，减速器不工作时间为4.8 min，约等于5 min。因此，模拟梭车蜗轮蜗杆减速器的实际工况，梭车蜗轮蜗杆减速器台架试验按照30 s加载，5 min不工作，另外考虑传动试验台功率加载、卸载各延时5 s，则梭车蜗轮蜗杆减速器台架试验时间定为：40 s加载(满载)，5 min不工作，减速器台架试验4天(8 h/天)。试验报告如图3所示。

图3 减速器试验报告

(3)试验结论

通过分析减速器的试验报告和观察减速器的蜗轮蜗杆的磨损情况(试验4天，从台架上拆解下来减速器)，得出结论：①加载试验进行0.5 h后，减速器油温比壳体温度高近30 ℃，加载试验进行8 h后，减速器油温达100 ℃，因此，在后续井下工业性试验时，采集到的壳体温度应比实际油温低30 ℃，同时需注意该减速器设计时要选型耐高温型密封；②该减速器的传动效率为75%～80%，则在满足使用功能的条件下，即减速器的输入功率、输入转矩、输出功率、输出转矩不变，适当延长梭车卸煤时间，该减速器可用传动比为80%原传动比的齿轮减速器替代，降低了传动比，减速器的外形尺寸可适当缩小；③减速器试验进行4天后，放掉减速器内齿轮油，齿轮油内存在铜末，观察蜗轮齿形，蜗轮齿部中间位置有轻微磨损，表明台架试验阶段，蜗轮蜗杆传动处于跑合阶段，磨损量明显。

3.2 井下工业性试验

该减速器随梭车在某矿井下使用1周，减速器无异常，更换减速器内油液，油液内存在少量铜末，表明蜗轮蜗杆传动处于跑合阶段，磨损量明显；使用1个月，减速器无异常，更换减速器内油液，油液内存在很少量铜末，表明蜗轮蜗杆传动处于稳定磨损阶段，磨损相对较轻；截至目前，减速器使用6个月，减速器仍然无异常。结合国内该减速器使用寿命仅为3～4月，验证了此次减速器蜗轮蜗杆改进是成功的。

4 结论

针对矿用梭车蜗轮蜗杆减速器中存在的高温、磨损严重以及使用寿命低的问题，通过研究蜗轮蜗杆的材质、表面质量、装配和润滑等影响因素，选择匹配性好的高耐磨材料和严格把关蜗轮蜗杆的表面质量、装配和润滑建议试制该减速器，最后通过台架试验和井下工业性试验，验证了该减速器可无异常使用6月以上，表明该减速器的开发是成功的。