劉小霞，惠忠文

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006；3. 煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006)

0 前言

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有梭車(chē)輸送系統(tǒng)中的輸送減速器采用的是蝸輪蝸桿減速器(一級(jí)圓柱直齒輪，二級(jí)蝸輪蝸桿)。蝸輪蝸桿減速器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大和傳動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，但是在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該減速器存在發(fā)熱大、傳動(dòng)效率低、磨損明顯、使用壽命較低等問(wèn)題，直接影響了梭車(chē)的使用性能。某大型煤炭企業(yè)進(jìn)口梭車(chē)的保有量為50多臺(tái)，以1臺(tái)梭車(chē)配備2臺(tái)蝸輪蝸桿減速器，需要100多臺(tái)蝸輪蝸桿減速器。減速器的故障不僅會(huì)造成停機(jī)、停產(chǎn)，而且會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油、重金屬材料造成浪費(fèi)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤機(jī)設(shè)備蝸桿傳動(dòng)減速器的研究較少，迫切需要解決蝸輪蝸桿的耐磨性。本文作者從國(guó)產(chǎn)蝸輪蝸桿減速器在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題展開(kāi)分析，研究蝸輪蝸桿的材料、加工、裝配和潤(rùn)滑等影響因素，提出有效的解決措施；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和井下工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證方案的有效性。

1 蝸輪蝸桿減速器存在故障分析

1.1 蝸輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)和參數(shù)

該減速器采用二級(jí)傳動(dòng)布置方式：高速級(jí)為直齒輪，低速級(jí)為蝸桿副，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。減速器的主要參數(shù)：驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)，輸入功率為24 kW，輸入轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，輸入轉(zhuǎn)矩為161 N·m，傳動(dòng)比為34.6。

圖1 減速器結(jié)構(gòu)

該減速器因齒輪布置在高速級(jí)，為獲得緊湊的箱體結(jié)構(gòu)，便于潤(rùn)滑，通常取齒輪傳動(dòng)比i<2～2.5，文中取齒輪傳動(dòng)比i=1.87，則蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為i=34.6-1.87=32.73。

1.2 蝸輪蝸桿減速器中存在的故障

(1)減速器發(fā)熱嚴(yán)重、漏油

蝸輪蝸桿傳動(dòng)屬于滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致減速器發(fā)熱，同時(shí)減速器發(fā)熱引起膨脹，長(zhǎng)期的膨脹會(huì)導(dǎo)致減速器零部件結(jié)合表面產(chǎn)生間隙，這就對(duì)密封提出了更高的要求，若密封選型不當(dāng)或者質(zhì)量不過(guò)關(guān)，就會(huì)造成減速器漏油的問(wèn)題。

(2)蝸輪蝸桿磨損嚴(yán)重

蝸輪蝸桿傳動(dòng)過(guò)程中存在摩擦接觸，若兩者之間嚙合效果不好，或者潤(rùn)滑不良，會(huì)造成磨損加劇。圖2所示為國(guó)產(chǎn)蝸輪蝸桿減速器使用1個(gè)月后蝸輪的磨損圖。

圖2 減速器蝸輪磨損

蝸輪磨損一般與蝸輪蝸桿的材料、表面質(zhì)量、裝配、潤(rùn)滑和使用環(huán)境有關(guān)。

因此，造成蝸輪蝸桿減速器故障的原因主要為蝸輪蝸桿材料，包括材料的匹配性、蝸輪蝸桿的表面質(zhì)量、蝸輪蝸桿的裝配質(zhì)量和潤(rùn)滑，文中主要從這4個(gè)方面展開(kāi)研究。

2 蝸輪蝸桿減速器的主要研究?jī)?nèi)容

2.1 蝸輪蝸桿材料研究

礦用梭車(chē)獨(dú)特的重載輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸部分承受著較高的沖擊和振動(dòng)載荷[1]，要求蝸輪蝸桿減速器符合重載傳動(dòng)設(shè)計(jì)的要求。應(yīng)用于重載傳動(dòng)、常用的蝸輪蝸桿材料如表1所示。蝸桿傳動(dòng)中常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅和鑄造鋁青銅[2]。

表1 應(yīng)用于重載、常用的蝸輪蝸桿材料

諸多學(xué)者對(duì)蝸輪蝸桿材料進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：蝸輪蝸桿材料的匹配性對(duì)蝸輪失效形式有很大的影響，與青銅-鑄鐵蝸桿副相比，青銅-鋼蝸桿副中的蝸輪磨損較小；與青銅-鑄鐵蝸桿副相比，鑄鐵-鑄鐵蝸桿副中的蝸輪容易發(fā)生膠合且齒面溫度較高，傳動(dòng)效率較低[3-6]。

該蝸輪蝸桿減速器中的蝸輪蝸桿滑動(dòng)速度vs=3.48 m/s，經(jīng)化驗(yàn)進(jìn)口同類(lèi)配件材料，其蝸桿材料為38CrMoAl，蝸輪材料為錫青銅。因此，蝸桿采用38CrMoAl，調(diào)質(zhì)氮化，蝸輪采用ZCuSn12Ni2。

2.2 蝸輪蝸桿表面質(zhì)量研究

機(jī)械零部件的表面質(zhì)量是指利用加工工藝生成的工件表面的微觀結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性能的要求[7]。針對(duì)某公司制定的“兩頭在內(nèi)，中間在外”的開(kāi)放式搞科研生產(chǎn)體系，即科研設(shè)計(jì)和成品裝配放在公司內(nèi)部、加工制造委托優(yōu)勢(shì)企業(yè)完成的創(chuàng)新研發(fā)體系，加工制造主要委托優(yōu)勢(shì)企業(yè)完成。因此，在蝸輪蝸桿表面質(zhì)量提升方面的建議主要有：(1)加工制造委托具有先進(jìn)加工裝備、技術(shù)實(shí)力雄厚的優(yōu)勢(shì)企業(yè)；(2)建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，對(duì)蝸輪蝸桿的加工工序、熱處理和尺寸檢驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，保證每道工序的可追溯性；(3)保證蝸桿的表面粗糙度、齒厚公差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，蝸桿的最后一道加工工序?yàn)榫ァ?/p>

2.3 蝸輪蝸桿裝配研究

蝸輪蝸桿減速器的裝配質(zhì)量直接影響其傳動(dòng)效率和使用壽命，為保證裝配質(zhì)量，其相關(guān)影響因素必須全面保證。

(1)蝸輪蝸桿屬于90°交錯(cuò)軸布置，其交錯(cuò)孔之間的中心距即蝸輪蝸桿的中心距與裝配質(zhì)量有很大的關(guān)系。因此，在裝配之前，應(yīng)運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x精確檢測(cè)殼體，保證蝸輪蝸桿中心距在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

(2)該減速器蝸桿與軸制成一體，蝸輪采用鑲鑄式。蝸輪蝸桿的裝配間隙由蝸桿和蝸輪的相對(duì)位置保證，通過(guò)調(diào)節(jié)蝸輪裝配軸側(cè)的調(diào)整墊片厚度確定合適的裝配間隙，因此在裝配前需測(cè)量相關(guān)零部件的尺寸鏈?zhǔn)欠裾_，保證蝸輪蝸桿的側(cè)隙控制在0.38～0.45 mm。

(3)對(duì)于蝸輪蝸桿的裝配誤差，一般采用著色法定性分析其蝸輪蝸桿齒面重合率，保證接觸斑點(diǎn)面積沿齒長(zhǎng)方向達(dá)到60%以上，沿齒高方向達(dá)65%以上。為有利于潤(rùn)滑油膜的形成，接觸斑點(diǎn)應(yīng)偏于齒面出口處。接觸斑點(diǎn)的位置和大小可通過(guò)調(diào)整墊片調(diào)整。

2.4 蝸輪蝸桿減速器潤(rùn)滑研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外蝸桿傳動(dòng)中因潤(rùn)滑不合理而導(dǎo)致的輪齒失效占10%，我國(guó)則占25%，由于潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的減速器故障占34.4%，由于潤(rùn)滑不當(dāng)導(dǎo)致的減速器故障占19.6%，即因?yàn)辇X面潤(rùn)滑原因?qū)е碌臏p速器故障大約占54%[8]。

在蝸輪蝸桿副傳動(dòng)中，由于蝸輪蝸桿副線(xiàn)接觸壓力大，易磨損，從而造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何精度和傳動(dòng)精度降低，或者影響正常使用壽命，這都對(duì)線(xiàn)接觸蝸輪蝸桿副的摩擦學(xué)研究提出了迫切的要求。良好的潤(rùn)滑不僅可以使蝸桿副兩齒面形成一定的油膜厚度，避免因齒面的直接摩擦而產(chǎn)生膠合和點(diǎn)蝕失效，而且可以減少重金屬的摩擦損失，從而提高蝸桿副的傳動(dòng)效率、降低齒面的工作溫度等。這不僅要求減速器結(jié)構(gòu)具備良好的潤(rùn)滑功能，而且要求潤(rùn)滑油具備良好的潤(rùn)滑特性、抗擦傷性能、防銹腐蝕性能和較強(qiáng)的抗氧化能力。

該蝸輪蝸桿減速器屬于蝸桿上置式布置，要求蝸輪蝸桿浸油深度為蝸輪外徑的1/3，保證潤(rùn)滑油充足，定期更換潤(rùn)滑油。另外，采用專(zhuān)用蝸輪蝸桿潤(rùn)滑油對(duì)蝸輪蝸桿減速器的潤(rùn)滑性能有很大的改善，可推薦礦方對(duì)該減速器采用專(zhuān)用蝸輪蝸桿齒輪油潤(rùn)滑。

3 試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

(1)傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

該傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可采集減速器的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、殼體溫度、油溫和振動(dòng)等數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示減速器的傳動(dòng)效率。

(2)減速器試驗(yàn)時(shí)間確定

經(jīng)調(diào)研，梭車(chē)每班最多完成90次物料裝卸，每次卸料時(shí)間約為30 s，裝料時(shí)減速器基本不工作，故不考慮裝料時(shí)間。按照一班8 h工作制，梭車(chē)每完成一次物料裝卸循環(huán)使用時(shí)間為5.3 min，則梭車(chē)每完成一次物料裝卸循環(huán)減速器的使用時(shí)間為30 s，減速器不工作時(shí)間為4.8 min，約等于5 min。因此，模擬梭車(chē)蝸輪蝸桿減速器的實(shí)際工況，梭車(chē)蝸輪蝸桿減速器臺(tái)架試驗(yàn)按照30 s加載，5 min不工作，另外考慮傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)功率加載、卸載各延時(shí)5 s，則梭車(chē)蝸輪蝸桿減速器臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間定為：40 s加載(滿(mǎn)載)，5 min不工作，減速器臺(tái)架試驗(yàn)4天(8 h/天)。試驗(yàn)報(bào)告如圖3所示。

圖3 減速器試驗(yàn)報(bào)告

(3)試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)分析減速器的試驗(yàn)報(bào)告和觀察減速器的蝸輪蝸桿的磨損情況(試驗(yàn)4天，從臺(tái)架上拆解下來(lái)減速器)，得出結(jié)論：①加載試驗(yàn)進(jìn)行0.5 h后，減速器油溫比殼體溫度高近30 ℃，加載試驗(yàn)進(jìn)行8 h后，減速器油溫達(dá)100 ℃，因此，在后續(xù)井下工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，采集到的殼體溫度應(yīng)比實(shí)際油溫低30 ℃，同時(shí)需注意該減速器設(shè)計(jì)時(shí)要選型耐高溫型密封；②該減速器的傳動(dòng)效率為75%～80%，則在滿(mǎn)足使用功能的條件下，即減速器的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩不變，適當(dāng)延長(zhǎng)梭車(chē)卸煤時(shí)間，該減速器可用傳動(dòng)比為80%原傳動(dòng)比的齒輪減速器替代，降低了傳動(dòng)比，減速器的外形尺寸可適當(dāng)縮小；③減速器試驗(yàn)進(jìn)行4天后，放掉減速器內(nèi)齒輪油，齒輪油內(nèi)存在銅末，觀察蝸輪齒形，蝸輪齒部中間位置有輕微磨損，表明臺(tái)架試驗(yàn)階段，蝸輪蝸桿傳動(dòng)處于跑合階段，磨損量明顯。

3.2 井下工業(yè)性試驗(yàn)

該減速器隨梭車(chē)在某礦井下使用1周，減速器無(wú)異常，更換減速器內(nèi)油液，油液內(nèi)存在少量銅末，表明蝸輪蝸桿傳動(dòng)處于跑合階段，磨損量明顯；使用1個(gè)月，減速器無(wú)異常，更換減速器內(nèi)油液，油液內(nèi)存在很少量銅末，表明蝸輪蝸桿傳動(dòng)處于穩(wěn)定磨損階段，磨損相對(duì)較輕；截至目前，減速器使用6個(gè)月，減速器仍然無(wú)異常。結(jié)合國(guó)內(nèi)該減速器使用壽命僅為3～4月，驗(yàn)證了此次減速器蝸輪蝸桿改進(jìn)是成功的。

4 結(jié)論

針對(duì)礦用梭車(chē)蝸輪蝸桿減速器中存在的高溫、磨損嚴(yán)重以及使用壽命低的問(wèn)題，通過(guò)研究蝸輪蝸桿的材質(zhì)、表面質(zhì)量、裝配和潤(rùn)滑等影響因素，選擇匹配性好的高耐磨材料和嚴(yán)格把關(guān)蝸輪蝸桿的表面質(zhì)量、裝配和潤(rùn)滑建議試制該減速器，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和井下工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了該減速器可無(wú)異常使用6月以上，表明該減速器的開(kāi)發(fā)是成功的。