WK-35电铲回转滚动装置早期失效分析

王树兵

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特市026000）

WK-35电铲回转滚动装置早期失效分析

王树兵

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特市026000）

阐述了WK-35电铲回转机构的构造及其工作原理，并对WK-35电铲回转机构滚动装置关键零部件的使用情况进行了分析。找到了可能导致WK-35电铲回转滚动装置零部件异常失效的各种原因，并有针对性地提出了相应的预防措施，同时提供了回转大齿圈开裂的焊修方案。

滚动装置；失效；分析；措施

0 引言

电铲作为大型化采装设备已被国内外露天矿山广泛应用，该类型设备的各个动作均是由原动机、传动部件、执行部件以及控制系统共同组成配合完成。太原重工股份有限公司生产的WK-35电铲是该公司的主要采掘设备，运行台数已经达到6台，它可与载重量为172～263 t的矿用自卸汽车相配套，适用于年产量1 500万t以上的大型露天矿山的岩石剥离和物料采装作业。该类电铲执行部件中的回转滚动装置属于整个设备机械零部件中的关键部件，因其单独检修更换的难度性较大、停机时间较长，配件造价昂贵等因素，需在设备投运后从操作、检查、维护等方面予以特别关注，现根据该公司1台WK-35电铲回转滚动装置的使用情况及早期出现的回转滚动部件失效情况进行分析总结。

1 WK-35电铲回转机构的构造及工作原理

WK-35电铲回转机构是由并联且各自独立的2套回转电动机、回转减速机、回转立轴、回转小齿轮和与之啮合配套的回转大齿圈、上下环轨、辊盘等零部件组成，2套回转装置分别安装在回转平台的前后两端以平衡载荷。回转电动机、回转减速机、回转制动器都安装在回转平台的上部，其余的各零部件均安装在回转平台的下部。上下环轨、辊盘、辊子、回转齿轮和连接件组成了机器的滚动系统。

整个电铲的旋转运动是由2台回转电机提供动力，每台回转电动机的顶部安装1个带弹簧的气动盘式制动器，用于电铲停机后的制动，避免回转平台自由转动。电机直接安装在回转减速机箱体上方，减速机通过二级传动将回转电机的扭矩传递到回转立轴上，回转立轴上的小齿轮与位于底架上方的回转大齿圈啮合，通过辊盘及上下环轨的滚动配合使整个回转平台及其上车部件围绕中央枢轴做旋转运动。

2 WK-35电铲回转机构各部件的使用情况

WK-35电铲回转机构在日常装车过程中需不断来回转动，使用频率较高，但回转受力均匀，实际工作中一般不会受到冲击载荷，因此理论上回转机构各部件应均匀磨损，理论使用寿命较长。

回转电动机是交流变频双轴伸立式强迫风冷电动机，功率为450 kW，转速为965 r/min,电机轴伸上端安装着一个带弹簧的气动盘式制动器，电机轴伸下端通过弹性齿式联轴器与回转减速机输入轴相联。它是整个回转机构的动力源，高速运转，根据历年WK-35电铲回转电机使用和保养情况来看，电机主要受轴承寿命影响，一般在25 000～35 000 h需对电机进行保养。

回转减速机属于二级减速传动，它包括一级普通平行轴直齿轮传动和一级行星齿轮传动，均采用硬齿面直齿轮传动[1]，末级传动的行星架的花键孔和回转立轴联接。日常装车过程中需不断来回回转，使用频率较高，但该减速机受力均匀，实际工作中不会受到冲击载荷，因此回转减速机齿轮也未出现过较大的内部损伤。

回转立轴是回转减速机末级传动的输出轴，采用简支梁的结构形式[2]，下端轴承位于回转平台上的轴承壳内，端部采用轴承压盖进行轴向定位，中间与回转平台之间有承重轴肩和隔套，末端通过花键联接回转小齿轮，经过回转二级减速后在此输出的扭矩增大，所受交变应力变大，寿命较以上部件有所缩短。

回转大齿圈是大型铸造外齿轮，两半对接式结构，与底架梁之间采用镶嵌抗剪定位套、螺栓连接，其对接口位置设计安装在两履带架中间工作装车位置，安装后前后对接口进行焊接打磨。由于该位置是WK-35电铲完成重载挖掘开始回转的启动位置，这造成了对接口长时间受力开裂的缺陷，如发现不及时造成齿牙开放式断裂将给焊修工作带来一定难度，尤其是冬季室外焊修受环境温度影响较大，焊接时的温度保持尤其困难，且焊修后再次开裂的运行小时明显缩短。

辊盘装置为独立部件，辊盘装置采用无边圆锥形辊子结构，由54个圆锥形辊子、辊架、销轴、尼龙套、垫等组成。圆锥形辊子在滚动中相对环轨只做纯滚动而不产生滑动，避免了圆锥辊子所产生滑动造成的磨损，通常情况下磨损均匀，使用寿命较长。

上下环轨是高合金钢锻造加工调质件[4]。上环轨在回转平台的下部，采用支口定位，压板压合的结构，下环轨在底架梁上，利用大齿圈的内部加工面定位，工作面为锥形截面。两履带架中间工作装车位置处的环轨磨损较其他部位较多。

中央枢轴是回转平台的回转中心轴，调节中央枢轴顶部的枢轴螺母，可以补偿环轨、辊子以及中央枢轴球面垫圈、止推垫圈的磨损，调节的目的是防止上部机构的过度倾斜。此轴为全寿命设计周期，稳定性较好。

整体来说，回转机构各部件在润滑良好的状态下能够保证一个大修周期（40 000～50 000 h）的使用寿命。1台WK-35电铲回转滚动装置出现了早期失效，现就其失效原因进行详细分析，并提出避免早起磨损的合理化方案。

3 WK-35电铲回转滚动装置的失效分析

2016年3月1105#WK-35电铲在运行至20 170 h出现回转大齿圈轮齿掰齿、上下环轨磨损、辊子点蚀剥落故障，以上故障的出现，具有一定典型性。

3.1 上下环轨及回转辊子失效分析

电铲正常回转工作时，回转滚动装置（包括上环轨、下环轨和辊子）及其下部组件（底架及以下）只承受物料重力及其上部组件自身的重力，作用力及其位置固定不变。设计时，确保电铲在空斗回转和满斗回转时，上述作用力的合力作用位置位于环轨辊圈（外径）之内，并尽可能靠近回转中心。此时中央枢轴不受力，54个辊子全部受力，只是受力大小不同。与合力作用点同侧的辊子和环轨受力大；与合力作用点异侧的辊子和环轨受力小。此工况下环轨和辊子之间的相互作用力分布及其分配相对较均匀，回转装置零部件受力状况良好，无极端恶劣工况。

电铲挖掘时，起初，回转滚动装置及其下部组件只承受挖掘阻力、物料重力及其上部组件自身的重力，其中：上部组件自身的重力及其作用位置是恒定不变的，挖掘阻力和物料重量是随时变化的，因此，上述外力作用下的合力在垂直方向的分量的大小和作用位置也是随时变化的，WK-35电铲回转装置受力分析如图1所示。

同样，当合力作用点位于环轨辊圈（外径）之内时，中央枢轴不受力，54个辊子全部受力，只是受力大小不同。与合力作用点同侧的辊子和环轨受力大；与合力作用点异侧的辊子和环轨受力小。

当物料重力和挖掘阻力逐渐增大时，合力作用点将超出环轨辊圈（外径）之外，对回转平台及其上部机构产生一个较大的倾覆力矩。此时，中央枢轴开始受拉力，并对回转平台及其上部机构产生一个复原力矩，以求系统平衡。

图1 WK-35电铲回转装置受力分析

中央枢轴球面垫处存在必要的间隙。在此恶劣挖掘工况时，就可能直接导致上环轨后段下轨面与后部辊子上表面脱离接触，出现部分辊子不受力，部分辊子受力较大的情况。中央枢轴球面垫处间隙越大，回转平台及其上部机构翘起越严重，有效承受外力的辊子数量越少，辊子及环轨的局部接触应力越大，造成了辊子和环轨的早期失效。

54个辊子可以轮流承受较大的载荷；而环轨，尤其是始终处于受力最大位置的前段上环轨长期承受着极大的、超出额定负载几倍的作用力，是导致其出现早期失效现象的主要原因。

长期超角度（大于5°）偏坡挖掘是导致辊子和环轨早期失效的另一个原因。长期在大于5°的斜坡上执行挖掘作业大大增加了辊子和环轨承受极端恶劣负载的几率，加大了负载的应力峰值，严重影响了辊子和环轨的使用寿命。长期超角度偏坡挖掘还对减速箱密封、齿轮润滑和减速机润滑系统的正常工作带来较大的安全隐患；对中央枢轴、中央枢轴铜套、回转立轴、回转立轴轴承、回转小齿轮、回转大齿圈等带来不利的影响。

3.2 回转大齿圈失效分析

早期投运的WK-35电铲回转大齿圈是直径为Φ5 200 mm铸造外齿轮，因早期工艺设备限制，齿圈整体铸造后将其切割进行后期热处理加工，其对接口位置设计安装在两履带架中间的工作装车位置，安装后进行焊接打磨保证整体一致性，但该位置是WK-35电铲完成重载挖掘开始回转的启动位置，接口处轮齿所受扭矩最大，齿牙受力也是最大。此设计易导致齿圈焊缝开裂，进而导致大齿圈的局部刚性急剧变弱，工作中轮齿受到较大冲击载荷时致使齿牙发生突然断裂故障[3]。

另外，上下环轨局部异常磨损导致回转过程中平台发生一定角度倾斜，回转大小齿轮啮合异常，进一步加剧大齿圈掰齿故障的机率。

4 WK-35电铲回转滚动装置的失效预防措施

分析此台WK-35电铲回转滚动装置的早期失效得知，回转滚动装置中回转大齿圈从材质选型、对接位置设计上存在缺陷外，该故障的出现主要归咎为电铲长期超载荷、超角度偏坡挖掘以及中心轴间隙调整不及时等综合因素导致环轨磨损、辊子点蚀，致使电铲平台回转过程中倾斜回转，回转大小齿轮啮合异常，加剧大齿圈轮齿掰齿现象的发生。因此，针对回转滚动装置需从设计上予以改进，操作维护中予以规范，维修时予以调整，具体提出以下几点预防措施：

1）对坚硬的物料挖掘前需进行必要的爆破，减少挖掘冲击恶劣负载的几率。

2）司机在电铲正前方进行挖掘操作时，遇到硬岩时应缓慢提升，挖满铲斗执行满斗回转时应当缓慢启动回转动作，避免给工作位置处环轨及齿轮传动副造成过大的冲击负荷；同理，空斗回转至电铲正前方时也应当缓慢制动。

3）作业挖掘过程中每2 h进行1次电铲360°全回转或采用双边装车工作法，以使回转辊子磨损均匀、正常。

4）严禁长期大角度偏颇挖掘作业，尽量控制在5°以下为最好。

5）及时、合理地调整中央枢轴球面垫处间隙。WK-35电铲中央枢轴锁紧螺母螺距为25.4 mm。螺母每旋转15°即可固定一个位置，故其最小调整步长为1.058 3 mm。经放样分析，中央枢轴处间隙与后部辊子与上环轨表面之间的间隙呈线性关系，其比率约为1.65，可依据上述关系进行调整。

6）定期检查两半式齿圈对接焊缝是否存在开裂现象，发现问题，及时焊修。

7）根据工作负载情况，可考虑适当调整配重。

8）电铲大修时将回转齿圈进行90°旋转安装，将对接口移开挖掘工作位。

9）电铲大修时更换整体锻造式回转大齿圈。

采取以上预防措施后可有效延长各矿山在用WK-35电铲及同类设备回转装置的使用寿命，降低维修成本，提高设备出动效率。

5 WK-35电铲回转大齿圈开裂修复工艺方案

WK-35电铲两半式回转大齿圈结构注定其对接口易开裂导致的齿牙断裂故障，且接口附近的齿牙也易出现细微裂纹，针对齿牙开裂及局部掰齿现象，由于更换整个齿圈工程量比较大，停机时间较长，费用较高等因素，可采取焊修方案予以修复继续运行，应针对不同的开裂现象给予相应的焊修方案，具体焊接参数和焊修工艺见表1[8]：

表1 WK-35电铲铸造回转大齿圈焊接参数

大齿圈材质：WKZG30CrNi2Mo

焊接时的工艺要点除了保证预热温度，控制层间温度，逐层对侧焊接外，最主要的是需要建立用E7018焊条堆焊层的过渡层[7]。

由于大齿圈内奥氏体化元素Cr、Ni的含量较高,在齿圈上堆焊焊条,其实质已是异种钢焊接行为,而碳迁移过渡层是异种钢焊接必然产生的一种现象，往往是造成异种钢焊接接头早期破坏的重要原因之一[5]，因此在齿圈上堆焊一层E7018焊道作为过渡层。此过渡层中含有比母材更多的强碳化物形成元素，并使淬硬倾向减小，还能减少扩散层尺寸。最重要的是利用过渡层可以减少产生裂纹的危险性。过渡层的位置介于齿圈上的断口和E9018焊条堆焊的熔敷金属之间厚度一般为10.0～12.8 mm。过渡层强度一般较低，故称为软质过渡层或软质隔离焊道，其作用在于控制层状撕裂[6]。

实践证明，采用正确的焊接修复工艺既简便快捷，又能保证一定时期内的齿圈力学使用性能。

6 结语

总之，WK-35电铲回转滚动装置部件的早期失效是综合原因造成。为了防止WK-35电铲回转滚动装置的异常失效，除了要考虑更换整体锻造大齿圈，提高配件质量外，还需从操驾水平、铲卧工作面的质量、中央枢轴球面垫间隙的及时调整等方面进行控制。通过分析优化装车方案，缩短回转滚动装置的检查调整周期，总结大齿圈裂纹焊修经验形成有效焊修工艺等措施，保证了其他WK-35电铲回转滚动装置的正常使用，同时积累了维护WK-35电铲回转滚动装置的宝贵经验，为其他矿山工程技术人员提供了一定借鉴和帮助。

［1］许镇宇，邱宜怀.机械零件［M］.北京：人民教育出版社，1981.

［2］徐灏.机械设计手册［M］：第3卷.北京：机械工业出版社，1991.

［3］岳桂杰，保承军，谷莉.齿轮传动失效分析［J］.现代制造技术与装备，2011（1）：29-30.

［4］邓文英.金属工艺学（上册）［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］刘中青，史宝田.异种钢焊接接头过渡层影响因素的研究［J］.长春工业大学学报，1987（4）：9-16.

［6］赵金生.P&H2800XP电铲回转齿圈齿牙脱落丢失后的补焊工艺［J］.焊接技术，1994（3）：24-24.

［7］柴玉阁，林茂，宋野.WK10B电铲回转大齿轮相邻多齿损坏的修复工艺［J］.黑龙江科技信息，2014（14）：3.

［8］王宇红，李博，李大军.挖掘机回转齿轮焊接修复工艺［J］.焊接技术，2014（9）：80-82.

【责任编辑：陈毓】

Early failure analysis of WK-35 excavator rotary rolling device

WANG Shubing
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)

This article describes the structure and working principle of WK-35 excavator slewing mechanism,analyzes the use condition of rolling device key components of WK-35 excavator slewing mechanism,finds out the failure reasons of WK-35 excavator rotary rolling device,presents the corresponding preventive measures,and provide a rotating ring gear crack welding repair plan.

rolling device;failure;analysis;measure

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）08－0053－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.015

王树兵.WK-35电铲回转滚动装置早期失效分析［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：53-56.

2017-03-27

王树兵（1981—），内蒙古乌兰察布人，本科，毕业于内蒙古工业大学机械设计制造及其自动化专业，现从事露天煤矿设备维修技术管理工作。