巴特爾

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000）

0 引言

露天煤礦中使用的平地機(jī)是一種裝有鏟土刀板作業(yè)裝置，進(jìn)行露天煤礦坑下道路土壤的切削、刮送和整平，以及修刮邊坡等作業(yè)的工程機(jī)械設(shè)備，配置松土器等其他輔助裝置時(shí)可擴(kuò)大其使用范圍，具備多種場(chǎng)合作業(yè)的高適應(yīng)性。因此，平地機(jī)是種作業(yè)效率高、作業(yè)質(zhì)量高、用途廣泛的輔助機(jī)械設(shè)備，是露天煤礦有序生產(chǎn)必不可少的設(shè)備。平地機(jī)的工作裝置依靠齒輪傳動(dòng)進(jìn)行工作，伴隨著平地機(jī)服役年限的延長(zhǎng)，在使用工況復(fù)雜多變和作業(yè)環(huán)境惡略等因素的綜合作用下，必然導(dǎo)致平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈齒輪傳動(dòng)磨損失效情況發(fā)生，給平地機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行埋下故障隱患。

1 平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈輪齒磨損故障分析

平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈的制造與它的使用壽命、工作可靠性、工作的效率、潤(rùn)滑情況等緊密相關(guān)?；剞D(zhuǎn)齒圈與驅(qū)動(dòng)齒輪間的嚙合屬于重載低速開放式嚙合，它的工作環(huán)境多粉塵與顆粒物，回轉(zhuǎn)圈齒嚙合面的防護(hù)和潤(rùn)滑條件較差。在齒輪動(dòng)力的傳遞與回轉(zhuǎn)配速的過程中，齒輪嚙合面之間同時(shí)作用著摩擦力與機(jī)械擠壓力，此外齒面還受到?jīng)_擊力和復(fù)合式應(yīng)力的共同作用，因此要求齒圈材料具有良好的抗接觸疲勞性、耐磨性和抗彎曲疲勞性，即要求齒圈材料不僅表面硬度和強(qiáng)度要高，并且要求其芯部韌性要好[1]。

1.1 平地機(jī)工作環(huán)境與齒圈制造材料要求

露天煤礦中，平地機(jī)主要用于完成露天煤礦采場(chǎng)內(nèi)道路的日常維護(hù)、運(yùn)輸路線變更等大面積的土方作業(yè)工作。作業(yè)環(huán)境揚(yáng)塵嚴(yán)重，砂石顆粒物超標(biāo)，并且工作任務(wù)量較大，平地機(jī)常常滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷作業(yè)，因此要求平地機(jī)結(jié)構(gòu)件兼?zhèn)鋸?qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性，而回轉(zhuǎn)齒圈作為平地機(jī)傳導(dǎo)動(dòng)力與控制運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵工作構(gòu)件，承受著作業(yè)中的主要載荷，因此對(duì)其部件綜合質(zhì)量要求非常高。

平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈的工作原理是由來自驅(qū)動(dòng)箱的動(dòng)力經(jīng)過驅(qū)動(dòng)齒與齒圈嚙合傳動(dòng)機(jī)械能，從而使回轉(zhuǎn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，且平地機(jī)工作承載載荷較重，回轉(zhuǎn)圈一般做低速回轉(zhuǎn)，即平地機(jī)工作中常為低速重載荷嚙合。由于露天煤礦屬于多粉塵顆粒物的環(huán)境，因此在平地機(jī)工作時(shí)常有顆粒物進(jìn)入防護(hù)條件和潤(rùn)滑條件不理想的回轉(zhuǎn)齒圈嚙合面，造成齒面的磨損。此外在平地機(jī)回轉(zhuǎn)圈受驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)齒圈嚙合面上必然出現(xiàn)相對(duì)摩擦，同時(shí)在齒面還會(huì)受沖擊力與復(fù)合應(yīng)力共同作用，因此為了保障平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈的使用壽命，滿足工作需求，齒圈制作材料一般具備良好的抗接觸疲勞性、耐磨性和抗彎曲疲勞性，制造過程中通過熱處理工藝使輪齒表面具備高強(qiáng)度，芯部保持韌性良好。

1.2 平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈輪齒失效原因

由于平地機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)圈間機(jī)械傳動(dòng)過程中伴隨著齒輪低速重載嚙合，并且齒輪嚙合傳動(dòng)位置處于開放狀態(tài)，因此作業(yè)環(huán)境當(dāng)中的砂礫、粉塵等顆粒物進(jìn)入嚙合面，在動(dòng)力傳動(dòng)過程中造成嚙合面間的磨損加劇。此外，在驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)齒圈開始嚙合、嚙合、結(jié)束嚙合過程中在齒圈齒局部嚙合面上伴生著的接觸應(yīng)力也隨著嚙合過程呈周期性變化，因此也可能造成齒圈齒輪的疲勞與損壞。據(jù)此，可至露天礦平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈常見失效形式有輪齒折斷[2]、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形等4 種形式。

2 平地機(jī)齒圈齒失效的維修研究

平地機(jī)的回轉(zhuǎn)齒圈是一個(gè)帶有非標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)齒的齒圈，由托板懸掛在牽引架的下部，通過安裝在牽引架上的回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪進(jìn)而與回轉(zhuǎn)齒圈內(nèi)齒進(jìn)行嚙合回轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)齒圈和鏟刀進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)。回轉(zhuǎn)齒圈與角位器通過螺栓固定，角位器通過兩側(cè)切削角調(diào)整油缸與鏟刀分總成系統(tǒng)聯(lián)接，并在兩側(cè)與鏟刀板總成通過轉(zhuǎn)動(dòng)副約束[3]，如圖1 所示。本文所討論的平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈失效的維修是針對(duì)于其回轉(zhuǎn)齒圈設(shè)計(jì)為一體式構(gòu)件，而非齒圈內(nèi)齒部分與齒圈主體通過螺栓固定連接，磨損后可更換部件的設(shè)計(jì)形式。

平面角是指平地機(jī)鏟刀左右回轉(zhuǎn)與機(jī)身縱線所形成的夾角，平地機(jī)鏟刀的角度及其適用的工作條件見表1。平地機(jī)在露天礦作業(yè)過程中容易出現(xiàn)失效的回轉(zhuǎn)齒均在±45～50°的回轉(zhuǎn)平面角范圍內(nèi)，以卡特彼勒14M 平地機(jī)為例，在該平面角范圍一般情況下出現(xiàn)回轉(zhuǎn)齒圈齒失效數(shù)量為12～17 個(gè)齒。根據(jù)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈齒磨損失效情況的程度不同與生產(chǎn)對(duì)設(shè)備需求情況，以及對(duì)維修效能的綜合分析，總結(jié)出以下3 種應(yīng)用價(jià)值較高的維修方法。

圖1 平地機(jī)工作裝置

表1 平地機(jī)鏟刀的角度及其適用的工作條件

2.1 堆焊維修方法（維修保養(yǎng)期間臨時(shí)性維修）

當(dāng)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈投入使用一段時(shí)間段后，易出現(xiàn)齒面磨損、齒面膠合，當(dāng)齒面磨損量達(dá)到1/4 齒厚后，平地機(jī)回轉(zhuǎn)裝置在運(yùn)行過程中便會(huì)出現(xiàn)頓挫，回轉(zhuǎn)不到位等問題，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)。當(dāng)需要平地機(jī)及時(shí)恢復(fù)狀態(tài)，保障安全生產(chǎn)有序進(jìn)行時(shí)，建議采用堆焊工藝，可以保障平地機(jī)狀態(tài)短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

針對(duì)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈齒失效的堆焊維修適宜采用焊條電弧堆焊。焊條電弧焊設(shè)備低廉，通用性強(qiáng)，適合現(xiàn)場(chǎng)堆焊；特別適合堆焊形狀不規(guī)則的零件及可達(dá)性差的部位；電弧熱量集中，變形小，生產(chǎn)率高，但其熔深大，稀釋率高，堆焊層硬度和耐磨性下降，通常焊3～4 層，多層焊容易開裂。焊接方法如下。

（1）制備齒廓模板。要求平地機(jī)停機(jī)，使用硬紙板在齒圈齒未磨損部位拓印12～15 個(gè)齒廓，拓印齒數(shù)量盡可能多，以保證拓印質(zhì)量，將拓好齒形輪廓裁剪下來，在3 mm 鋼板上進(jìn)行放樣，切割制作齒廓模板。也可與設(shè)備廠家購(gòu)進(jìn)齒廓模板，以降低制作誤差。

（2）維修前準(zhǔn)備。準(zhǔn)備直徑為3.2 mmD112 堆焊焊條（應(yīng)急情況下也可使用E5015 焊條），以及電焊帽、角磨機(jī)、氣刨把、碳棒等工器具材料；對(duì)要維修部位的齒圈齒進(jìn)行碳弧氣刨作業(yè)，清除掉齒廓因膠合引起的卷邊毛刺等，并進(jìn)行清理打磨，確保被維修齒齒面、齒頂、斷面均露出金屬光澤，無油污泥沙等雜質(zhì)。

（3）焊接維修。選擇合適的焊接參數(shù)，維修人員操作電焊鉗夾持焊條，沿著受損齒圈齒的齒廓方向，由下端面向上端面進(jìn)行堆焊（操作技巧與橫焊技術(shù)相同），可堆焊3～4 層，操作過程保持堆焊面平整，堆焊過程中使用齒廓模板進(jìn)行比對(duì)，堆焊厚度應(yīng)略多于原齒，保證后續(xù)修形有充足余量。

（4）焊后修形。使用齒廓模板與焊后部位進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，對(duì)多出的余量使用記號(hào)筆做標(biāo)記。根據(jù)實(shí)際情況，使用碳弧氣刨將余量較大的部位氣刨清除，對(duì)于余量不滿足氣刨作業(yè)的部位則使用角向磨光機(jī)進(jìn)行打磨修形。使用齒廓模板由齒圈下端面至上端面多次、反復(fù)進(jìn)行比對(duì)，確保修形質(zhì)量，還可以啟動(dòng)平地機(jī)空載運(yùn)行回轉(zhuǎn)齒圈，檢查維修質(zhì)量。

2.2 Q345 板材鑲嵌維修

由于平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈齒在頻繁啟動(dòng)、低速重載和過載的傳動(dòng)中，易出現(xiàn)齒面膠合與齒面塑性變形，當(dāng)這類磨損失效形式導(dǎo)致回轉(zhuǎn)齒圈齒的齒頂磨禿、齒厚磨損掉1/2～2/3 時(shí)，就需要設(shè)備立及時(shí)停機(jī)進(jìn)行整修，其維修方法可以選擇鑲嵌的方式。

圖2 齒廓板修整齒圈內(nèi)齒比對(duì)

鑲嵌維修指的是當(dāng)回轉(zhuǎn)齒圈內(nèi)齒磨損、變形、膠合比較嚴(yán)重的情況下，選用與齒圈母材材料性能相近的金屬材料，鑲嵌焊接在磨損的回轉(zhuǎn)齒圈內(nèi)齒上的，通過修型后回復(fù)齒圈原功能的維修辦法。當(dāng)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈內(nèi)齒磨損至1/2～2/3 時(shí)，如果采用堆焊工藝就要面臨以下問題：

（1）堆焊維修時(shí)間較長(zhǎng)，維修工時(shí)響應(yīng)延長(zhǎng)。

（2）當(dāng)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈內(nèi)齒磨損至1/2～2/3 時(shí)，堆焊需要7～10 層，遠(yuǎn)超出一般堆焊允許的焊接層數(shù)，堆焊焊條堆焊超過4層以上易出現(xiàn)開裂，切堆焊層過后脆性增加、韌性降低。

（3）堆焊作業(yè)量加大，對(duì)齒圈內(nèi)齒及其周圍區(qū)域熱數(shù)量增加，易造成齒圈母材退火、材料內(nèi)部金相發(fā)生變化，從而降低修復(fù)質(zhì)量。

鑲嵌鋼材的選擇：由于平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈采用的是40Cr 鋼，該材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性，經(jīng)過表面淬火后具有較高的表面硬度與耐磨性。露天礦維修單位常用的Q345 鋼的力學(xué)性能、抗疲勞性能及耐磨性均能與40Cr 鋼比較相近，同時(shí)能夠滿足工藝性能良好、鋼材經(jīng)濟(jì)成本低的要求，因此Q345 鋼應(yīng)為回轉(zhuǎn)齒圈鑲嵌維修首選鋼材。維修方法如下。

（1）平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈齒清理與修形：使用碳弧氣刨、角向磨光機(jī)清除掉齒廓因膠合、變形引起的卷邊毛刺以及泥沙油污等，并將待修齒的輪廓修整至相同形態(tài)，并在上下齒圈齒端面開5 mm 深的半V 型坡口（30°～45°）。

（2）制備Q345 鋼鑲嵌部件：使用Q345 鋼板（10～12）mm 制備被鑲嵌齒的原有齒廓形狀，通過折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行比對(duì)進(jìn)行折彎，折彎對(duì)鑲嵌部件尺寸要求如圖3 所示，數(shù)據(jù)來源于設(shè)備配件手冊(cè)，鑲嵌部件尺寸應(yīng)略大于齒廓尺寸，以保證有足夠的余量便于焊接與修形。

（3）Q345 鋼鑲嵌部件的安裝點(diǎn)固：對(duì)已經(jīng)彎折完畢的U 型鑲嵌部件外側(cè)進(jìn)行打磨去除銹跡，以回轉(zhuǎn)齒圈上齒面為基準(zhǔn)進(jìn)行焊接點(diǎn)固，點(diǎn)固安裝要求鑲嵌部件與回轉(zhuǎn)齒圈齒面貼合嚴(yán)密，焊接后不留間隙（圖4）。

圖3 鑲嵌部件樣式

（4）鑲嵌部件的焊接：鑲嵌部件點(diǎn)固完畢后，可采用焊條電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊將鑲嵌部件與回轉(zhuǎn)齒圈焊接在一起，要求將所有縫隙全部進(jìn)行焊接。

圖4 鑲嵌部件安裝示意

①焊條電弧焊。選用Φ3.2 mm 的E7018 焊條，焊接過程中應(yīng)保證焊縫質(zhì)量，避免出現(xiàn)夾渣、焊瘤、未熔合等缺陷；②二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。選用Φ1.2 mm 的E71T 焊絲進(jìn)行焊接，由于二保焊熱數(shù)量較大，所以為避免由于熱輸入過大引起鑲嵌板材與齒圈母體發(fā)生組織退火，焊接時(shí)應(yīng)對(duì)熱輸入量與層間溫度有所控制。

（5）制備齒廓模板：使用硬紙板在齒圈齒未磨損部位拓印12～15 個(gè)齒廓，拓印齒數(shù)量盡可能多，以保證拓印質(zhì)量，將拓好齒形輪廓裁剪下來，在3 mm 鋼板上進(jìn)行放樣，切割制作齒廓模板。也可與設(shè)備廠家購(gòu)進(jìn)齒廓模板，以降低制作誤差。

（6）焊后修形：待鑲嵌部件焊接完畢，齒圈冷卻至室溫以后，使用齒廓模板與焊后部位進(jìn)行對(duì)比，對(duì)多出的余量使用記號(hào)筆做標(biāo)記；根據(jù)實(shí)際情況，使用碳弧氣刨將余量較大的部位氣刨清除，對(duì)于余量不滿足氣刨作業(yè)的部位則使用角向磨光機(jī)進(jìn)行打磨修形；使用齒廓模板由齒圈下端面至上端面多次、反復(fù)進(jìn)行比對(duì)，確保修形質(zhì)量，還可以啟動(dòng)平地機(jī)空載運(yùn)行回轉(zhuǎn)齒圈，檢查維修質(zhì)量。

2.3 回轉(zhuǎn)齒圈的平轉(zhuǎn)焊接

本文所討論的卡特彼勒14M 型平地機(jī)其回轉(zhuǎn)齒圈與輪齒為一體式設(shè)計(jì)，不具備局部更換的條件。當(dāng)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈工作區(qū)已磨損到不能通過焊接鑲嵌部件進(jìn)行維修，或者通過鑲嵌維修后再次磨損，甚至出現(xiàn)回轉(zhuǎn)齒圈輪齒折斷情況時(shí)，就需要維修人員根據(jù)平地機(jī)的狀況進(jìn)行整修。經(jīng)過對(duì)平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈結(jié)構(gòu)的分析，可以采用齒圈平移調(diào)轉(zhuǎn)的方式將為磨損的齒圈齒調(diào)整至工作位置，具體方法如下。

（1）回轉(zhuǎn)齒圈的拆卸：平地機(jī)停機(jī)停放車間后，拆卸相關(guān)升降油缸、牽引架引出油缸，拆卸平地機(jī)刮刀，最后將平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈與平地機(jī)牽引架進(jìn)行拆解分離，如圖5 所示。

（2）回轉(zhuǎn)齒圈的放置與固定：使用橋式起重機(jī)（天吊），四點(diǎn)平穩(wěn)吊起齒圈，并安放于平整的維修臺(tái)位（鋼板鋪設(shè)的臺(tái)位），回轉(zhuǎn)齒圈耳板與維修臺(tái)位接觸，要求回轉(zhuǎn)齒圈姿態(tài)保持水平，保持回轉(zhuǎn)齒圈姿態(tài)穩(wěn)定后，將回轉(zhuǎn)齒圈剛性固定在維修臺(tái)位上。建議使用14a 型槽鋼與DN25 鋼管配合使用，用手工焊條電弧焊將回轉(zhuǎn)齒圈上的附屬部件（2 個(gè)回轉(zhuǎn)圈耳板、刮刀傾角油缸底座）與維修臺(tái)位進(jìn)行點(diǎn)固焊接，通過剛性連接使相關(guān)附件的相對(duì)位置保持不變。

圖5 回轉(zhuǎn)圈單元示意

（3）回轉(zhuǎn)圈與回轉(zhuǎn)圈附件的分離：當(dāng)平地機(jī)回轉(zhuǎn)圈在維修臺(tái)位剛性固定穩(wěn)定后，使用碳弧氣刨沿著回轉(zhuǎn)圈與耳板、刮刀傾角油缸底座間的焊縫進(jìn)行氣刨去除。碳弧氣刨作業(yè)將焊肉去除干凈，并避免傷及齒圈及其附件的母材，形成平整坡口，將齒圈與其附件分離后將坡口進(jìn)行打磨，去除碳化層，同時(shí)將齒圈后續(xù)焊接位置進(jìn)行打磨，清除油漆及其他雜志。

（4）回轉(zhuǎn)圈平移焊接：根據(jù)實(shí)際使用需要，使用天吊將回轉(zhuǎn)齒圈進(jìn)行吊起，人力輔助齒圈平轉(zhuǎn)180°，將磨損位置的齒圈齒平轉(zhuǎn)至工作區(qū)，平移完成后，緩降天吊，將齒圈與剛性固定好的齒圈附件重新組對(duì)，為避免焊接后齒圈附件因焊接應(yīng)力導(dǎo)致變形、錯(cuò)位等情況的發(fā)生，點(diǎn)固時(shí)應(yīng)點(diǎn)焊牢固，點(diǎn)固好后進(jìn)行焊接。焊接時(shí)采用對(duì)稱焊接，并控制焊接熱輸入量，由于回轉(zhuǎn)齒圈母材為40Cr，所以焊接時(shí)應(yīng)保證焊前預(yù)熱達(dá)到500 ℃，焊接時(shí)控制層間溫度在（250～300）℃。

（5）回轉(zhuǎn)圈與平地機(jī)的組裝：平地機(jī)回轉(zhuǎn)圈平移焊接完畢后，當(dāng)焊縫溫度溫度緩降至室溫后，使用碳弧氣刨解除回轉(zhuǎn)圈與臺(tái)位的剛性連接。重新將回轉(zhuǎn)圈與平地機(jī)牽引架以進(jìn)行組裝，安裝油缸、管路等其他附件。當(dāng)平地機(jī)安裝恢復(fù)后，試運(yùn)行，并及時(shí)調(diào)試時(shí)平地機(jī)恢復(fù)狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過對(duì)平地機(jī)回轉(zhuǎn)圈齒圈失效原因的研究分析，結(jié)合露天煤礦使用平地機(jī)的實(shí)際工況，以及對(duì)平地機(jī)的不同使用要求，總結(jié)出3 種有效的方法：齒圈齒堆焊維修、Q345 板材鑲嵌維修、回轉(zhuǎn)圈平移維修，并經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)3 種維修方法有效應(yīng)和可行性較強(qiáng)，為平地機(jī)回轉(zhuǎn)齒圈的失效維修提供了可靠的技術(shù)保障，同時(shí)具有廣泛推廣應(yīng)用于相關(guān)類型維修工作當(dāng)中的借鑒價(jià)值。