白金鎖 ，李永康

(1.潞安礦業(yè)集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

刮板輸送機(jī)用減速器齒輪軸失效分析及改進(jìn)措施

白金鎖1，李永康2

(1.潞安礦業(yè)集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

針對(duì)SGZ 764/400型刮板輸送機(jī)用減速器齒輪軸的失效問(wèn)題，分析了齒輪軸從材料到加工可能出現(xiàn)的問(wèn)題，指出了齒輪失效是由于材料和生產(chǎn)過(guò)程中某一環(huán)節(jié)沒有嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)要求造成的，并提出了一些預(yù)防措施和改進(jìn)意見。

刮板輸送機(jī)；減速器；齒輪失效

0 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦井下的主要運(yùn)輸設(shè)備，是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道和液壓支架的推移點(diǎn)，它的可靠運(yùn)行是工作面相關(guān)設(shè)備正常工作的關(guān)鍵。刮板輸送機(jī)中傳動(dòng)裝置由電機(jī)、聯(lián)軸器和減速器組成，煤礦井下工況復(fù)雜，減速器出現(xiàn)故障后拆裝、檢修極不方便，如何降低減速器的故障率是當(dāng)今機(jī)械化采煤的一個(gè)重要問(wèn)題，減速器能否可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行將直接影響礦井的生產(chǎn)能力和煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 問(wèn)題描述

某礦工作面配套的SGZ764/400型刮板輸送機(jī)中JS200型減速器使用不到半年出現(xiàn)故障，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。通過(guò)拆箱檢修，發(fā)現(xiàn)第三軸中的軸直齒輪出現(xiàn)斷齒，甚至有的整個(gè)齒全部剃掉，如圖1所示。由于該減速器使用時(shí)間較短，并有多臺(tái)減速器出現(xiàn)類似問(wèn)題，因此對(duì)該齒輪軸進(jìn)行失效分析是非常有必要的。

圖1 齒輪失效圖

2 原因分析

該齒輪軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，材料采用20CrMnTi，齒面滲碳淬火處理，表面硬度為HRC58～HRC62，心部為HRC38～HRC42，通過(guò)表面打硬度，表面硬度HRC61，符合設(shè)計(jì)要求；通過(guò)彎曲和接觸強(qiáng)度分析，在使用系數(shù)為1.5時(shí)，該齒輪的接觸、彎曲系數(shù)均滿足要求。經(jīng)過(guò)分析判斷，可能是加工中某一工藝環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，該齒輪軸加工工藝流程如圖3所示。

圖2 齒輪軸結(jié)構(gòu)圖

圖3 齒輪軸的生產(chǎn)工藝流程

通過(guò)進(jìn)一步分析齒輪軸圖紙、工藝卡片，認(rèn)為可能存在問(wèn)題的環(huán)節(jié)如下。

2.1 鍛造

齒輪軸類零件結(jié)構(gòu)比較特殊，中間部分為齒輪，兩端為軸，鍛造時(shí)應(yīng)特別注意工藝要求，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該中間鐓粗，兩頭拔長(zhǎng)，這樣才能使得金屬的纖維方向與齒輪受力相匹配。鍛造加熱時(shí)若加熱時(shí)間較短，外部溫度達(dá)到要求而內(nèi)部溫度還不夠，很容易造成內(nèi)部缺陷，影響齒輪質(zhì)量，從而導(dǎo)致斷齒。由于各鍛件廠家的生產(chǎn)水平參差不齊，缺乏必要的檢測(cè)手段，因此這一環(huán)節(jié)更應(yīng)嚴(yán)格參照工藝要求進(jìn)行。2.2 熱處理

參考齒輪熱處理工藝卡片，發(fā)現(xiàn)粗車后沒有進(jìn)行二次回火，同時(shí)滲碳淬火后回火時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)，否則淬火應(yīng)力釋放不徹底，過(guò)高的內(nèi)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力微裂紋，是疲勞斷裂的起源點(diǎn)。建議淬火溫度由860 ℃改為810 ℃，回火時(shí)間由6 h延長(zhǎng)到10 h，同樣該環(huán)節(jié)也應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)手段。

2.3 齒面粗糙度

煤礦用齒輪標(biāo)準(zhǔn)要求重載齒輪精度等級(jí)為6級(jí)，粗糙度要求不能見刀痕。從斷齒的齒輪齒面的刀痕可看出，該齒輪沒有進(jìn)行磨齒，加工粗糙度不夠，當(dāng)?shù)逗勖黠@時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，極大地影響齒輪齒面的接觸強(qiáng)度和根部彎曲應(yīng)力分布情況。當(dāng)載荷較大時(shí)，會(huì)使齒面產(chǎn)生點(diǎn)蝕，周而復(fù)始，造成齒輪失效。像這種重載齒輪，特別是第三級(jí)齒輪，受到的載荷比前兩級(jí)大很多，所以更應(yīng)該注重齒輪齒面質(zhì)量。

3 改進(jìn)及建議

3.1 材料

該齒輪軸材料為20CrMnTi，其材料強(qiáng)度較高，是常用的齒輪材料，經(jīng)過(guò)滲碳淬火處理后，表面硬度HRC58～HRC62,心部HRC38～HRC42。由于刮板輸送機(jī)工況復(fù)雜，齒輪軸結(jié)構(gòu)特殊，對(duì)材料力學(xué)性能要求高，但是該材料韌性較差，當(dāng)沖擊載荷較大時(shí)，很容易出現(xiàn)斷齒，目前國(guó)外有些同類減速器采用17CrNiMo6，下面對(duì)這兩種材料進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能和熱處理性能比較。

3.1.1 化學(xué)成分

表1為兩種材料的化學(xué)成分。通過(guò)比較兩種材料所含元素發(fā)現(xiàn)：17CrNiMo6與20CrMnTi相比C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低0.03%，Cr、Ni高0.02%左右，其他元素區(qū)別不大。

表1 兩種材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.1.2 力學(xué)性能

表2為兩種材料的力學(xué)性能。通過(guò)比較兩種材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)：17CrNiMo6抗拉強(qiáng)度要比20CrMnTi高100 MPa以上。

3.1.3 淬透性

淬火是使鋼強(qiáng)化的基本手段之一，將鋼淬火成馬氏

體，隨后回火以提高韌性，是使鋼獲得高綜合機(jī)械性能的傳統(tǒng)方法。通過(guò)分析比較20CrMnTi 、17CrNiMo6的淬透性，在同等淬火距離下，17CrNiMo6更容易達(dá)到所需硬度，熱處理過(guò)程更容易控制。

鑒于以上分析， 17CrNiMo6更適用于齒輪軸材料。

表2 兩種材料力學(xué)性能

3.2 齒形

該齒輪軸齒數(shù)為17，采用了較大的變位系數(shù),采用正變位是一種配湊中心距及改善齒根彎曲應(yīng)力的方法。由于刮板輸送機(jī)頻繁啟動(dòng)，沖擊載荷大，因此很有必要通過(guò)齒形設(shè)計(jì)來(lái)提高齒輪的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。很多研究表明：適當(dāng)?shù)卦龃髩毫菚?huì)顯著提高齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度、改善齒面潤(rùn)滑和抗膠合承載能力，是一種非常有效的提高齒輪輪齒綜合性能的方法?，F(xiàn)如今比較流行的還有齒輪修形，通過(guò)齒輪齒向和齒闊修形可以減小齒輪齒面的接觸應(yīng)力，避免因齒輪接觸應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕，進(jìn)而造成齒輪失效。

4 總結(jié)

針對(duì)刮板輸送機(jī)減速器齒輪軸斷齒問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拆箱檢修及加工過(guò)程跟蹤，從齒輪生產(chǎn)過(guò)程可能出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)逐一分析，得到鍛造、熱處理和滾齒是最可能出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)檢測(cè)手段的重要性。同時(shí)建議針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合的減速器從設(shè)計(jì)層面對(duì)齒輪材料和齒形進(jìn)行改進(jìn)。這種齒輪失效分析方法及建議對(duì)其他減速器同樣具有參考意義。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 李永康,任家駿,孟令志.斜齒輪參數(shù)化建模及接觸應(yīng)力的有限元分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2010(3)：51-52.

[3] 張瀟云,周新建.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析[J].潤(rùn)滑與密封，2003(5)：54-56.

[4] 肖望強(qiáng).礦用減速器雙壓力角弧齒錐齒輪輕量化設(shè)計(jì)與制造[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(11):2348-2354.

Scraper Conveyor Reducer Gear Shaft Failure Analysis and Improvement Measures

BAI Jin-suo1， LI Yong-kang2

(1. Lu’an Coal Mining Group Chang Village Coal Mine, Changzhi 046102, China； 2.School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

To SGZ764/400 scraper conveyor gear box shaft failure problem, this paper analyzed its material and manufaturing process, pointed out the reason for the problem is the material or the production process is not in strict accordance with the process standards, and put forward some prevention measures and improvements.

scraper conveyor; gear box; gear failure

1672- 6413(2015)06- 0209- 02

2015- 04- 09；

2015- 10- 12

白金鎖(1981-)，男，山西大同人，助工，本科，主要從事煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

TD63+4.2

B