采煤机链轮轮齿断裂的原因分析及改进研究

范正宇， 范彦汝

(1.霍州煤电集团 汾河焦煤公司 三交河煤矿，山西 临汾 041000； 2.太重煤机有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

采煤机作为井下煤炭开采的重要设备之一，其安全性及可靠性对井下开采作业的安全和能否顺利进行起着至关重要的作用。在井下工作时，采煤机外牵引损坏的主要形式是行走部链轮轮齿断裂，链轮轮齿的非正常断裂严重影响了采煤机的正常作业，随着地质条件的恶化，链轮损坏情况加剧。因此分析链轮磨损断裂的原因并进行改进设计是煤矿高产高效开采的迫切需要。通过跟踪研究大量的行走轮轮齿断裂情况，并结合相关资料,笔者分析了链轮轮齿断裂的可能原因，并针对相关情况做了改进工作。

1 链轮损坏现象

链轮是采煤机外牵引的执行元件，也是采煤机零部件中的易损件，其为开式传动，工况条件复杂、恶劣。链轮与销排啮合示意图如图1所示，这种传动方式为非共轭啮合，随着啮合角度的变化，压力角、牵引力也会发生变化。井下通常存在不同程度的坡度，链轮在工作过程中其中心距会随着采煤机的行走发生改变，采煤机运输机销排节距也会发生磨损、移动，这就导致链轮与销排的啮合条件非常恶劣，普遍存在未达到设计寿命而出现齿面磨损严重、齿侧剥落及齿根断裂等问题。链轮轮齿磨损、断裂示意图分别如图2、图3所示。

2 链轮损坏原因分析

通过统计同工作面下不同链轮的使用寿命以及同批次同规格型号链轮在不同工况下的使用情况，分析链轮损坏的原因。

2.1 链轮形状和工艺的影响

经过大量的跟踪研究发现，在工况条件相同的情况下，不同的链轮使用寿命不同，链轮轮齿长和齿根过渡圆角偏小时链轮更易发生断裂。链轮轮齿较长时，易与销排齿座发生干涉，且啮合过程中摩擦变大，造成链轮转动不顺畅，从而出现憋卡、磨损、断裂等现象；齿根过渡圆角偏小时，会降低齿根的强度，当承受较大的弯曲应力时齿根部容易应力集中，从而出现裂纹，甚至断齿。此外，链轮的硬度高、齿部光滑时寿命长。

图1链轮与销排啮合示意图图2链轮轮齿磨损示意图

2.2 工况及连接部件的影响

同批次、同规格型号的链轮在不同工况条件下表现也大相径庭。煤层较软无夹矸、巷道平稳、刮板输送机销排布置平顺时，链轮使用寿命最长；煤层较硬、夹矸较多时，滚筒座截齿受力较大，采煤机为刚性连接，形成较大的冲击载荷，加快链轮的磨损；有爬坡需求的井下，在爬坡过程中，链轮受力不均衡，单链轮磨损严重，甚至压溃。

销排的质量和布置情况是影响链轮寿命的关键因素，销排大多数为铸造件，精度低，齿型误差大，圆角和倒角处理不当、表面粗糙等铸造缺陷都严重影响链轮与销排轮齿的啮合性能。刮板输送机溜槽的安装要保证垂直弯曲≤±3°，水平弯曲≤±1°，若井下安装及工况达不到，销排节距在两两相接处变化大。对于有倾角的工作面，销排一般存在自机尾向机头下滑趋势，会使销排接口处间隙过小甚至靠紧，接口处节距变小。当节距变小时，啮合滞后，瞬间为单链轮牵引，承受较大的负荷，导致销排齿面压溃、变形，链轮变形；如果存在起伏，在起伏的高点节距增大，链轮齿顶会和销排齿顶发生撞击，造成损坏。当节距变大时，采煤机向上抬升，致使导向滑靴下钩平面紧贴销排侧板下面，导向滑靴一旦磨损就失去了对链轮的保护作用。

平滑靴起到支撑采煤机、使采煤机沿刮板输送机铲板行走的作用。平滑靴地面所受的接触比压大，磨损较快，在其磨损过量时，会使采煤机向煤壁侧倾斜，造成链轮、导向靴上抬，破坏链轮与销排的啮合，使导向靴下勾槽磨损加快，链轮齿侧受挤压，加速齿部磨损。控制平滑靴底面的磨损也是延长链轮使用寿命的主要手段。

3 链轮磨损断裂问题的改进措施

3.1 材料的改进

合作厂家的链轮材料为40CrNiMo，热处理后齿面硬度为HRC52～HRC56，芯部硬度为HRC32～HRC35，为提高链轮的耐磨性，与采煤机供应厂家协商，在链轮材料中加入钨，改用18Cr2Ni4W，热处理工艺相应做了调整。两种材料的机械性能对比如表1所示。

表1 两种材料的机械性能

18Cr2Ni4W为低碳合金钢，因此加入渗碳工序，并由整体淬火代替表面淬火。改变材料及热处理工艺后，链轮的齿面硬度能达到HRC58～HRC62，芯部硬度达到HRC38～HRC42，渗碳层深度2.0 mm～2.4 mm。

3.2 导向滑靴的改进

采煤机工作过程中，导向滑靴起着导向和支撑的作用，同时对链轮有一定的保护作用，导向滑靴磨损后，会使链轮下沉，啮合线下移，啮合点移至链轮齿根圆处，靠近齿根处承受扭矩，在链轮轮齿硬化层磨损后，链轮齿根圆处发生塑性变形，齿形弯曲。导向滑靴的加工一定要保证纵、横向间隙，导向滑靴勾槽处为关键部位也是易损部位，通过对勾槽部位焊耐磨焊条能有效地减缓导向滑靴的磨损，从而保护链轮。

3.3 链轮齿形的改进

目前常用的链轮齿廓形状有渐开线和摆线两种，摆线型链轮适用于功率较小的采煤机，渐开线型链轮适用于功率较大的采煤机。以大功率渐开线型链轮为例，对链轮的轮齿长度和齿根圆过渡圆角进行优化，提高加工精度，避免刀痕和尖棱尖角，能有效地改善采煤机链轮和刮板输送机销排的啮合性能，减小冲击载荷。

采用新材料、新工艺并对齿廓形状进行优化后加工出来的新链轮如图4所示，目前该批链轮已投入使用，性能较以前有了很大的提高，使用寿命是以前的3倍。

图3链轮轮齿断裂示意图图4改进后的新链轮

3.4 其他影响因素的改善

链轮与销排的啮合原理与齿轮齿条啮合相似，销排的齿廓形状、表面粗糙度、磨损程度、安装精度等都对链轮的寿命有很大的影响。选择铸造精度高、缺陷少的销排，严格按照煤炭行业规范要求进行井下安装。使用过程中定期检查导向滑靴、销排、平滑靴、链轮的磨损量，磨损较大时及时进行更换或维修，以免造成其他部件的损坏。

4 结语

通过对链轮的大量跟踪研究，分析链轮轮齿磨损断裂的原因，针对相关情况与厂家协商对链轮、导向滑靴、销排等相关部件进行改进，改进后的链轮使用寿命有了很大的提高。但是链轮的实际使用寿命仍达不到设计及井下需求，要使采煤机链轮的改进达到理想的效果，需要对整个啮合运动过程作进一步的分析，并结合井下的实际工况条件，针对性地做出调整，使采煤机能够更加安全可靠地运行。

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