電牽引滾筒式采煤機(jī)軸承失效分析

王振乾

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

1 問題的提出

電牽引滾筒式采煤機(jī)(圖1)是一款集成機(jī)械、電氣、液壓及輔助系統(tǒng)的復(fù)雜大型煤礦設(shè)備，直接擔(dān)負(fù)著煤礦開采工作面的割煤和裝煤重任，是工作面的核心設(shè)備之一。單從機(jī)械系統(tǒng)來看，電牽引采煤機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)為齒輪減速箱，即將各電動(dòng)機(jī)(除液壓調(diào)高系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī))的高轉(zhuǎn)速低扭矩經(jīng)過齒輪減速箱后轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速高扭矩，軸承是其中的關(guān)鍵部件,是保證采煤機(jī)機(jī)械系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。電牽引滾筒式采煤機(jī)各齒輪減速箱中的軸承全部為滾動(dòng)軸承[1]，主要包括球軸承、圓柱滾子軸承、滿裝滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、單列及雙列圓錐滾子軸承。就成本而言，軸承約占整個(gè)減速箱的三分之一。

1—左截割部；2—左牽引行走部；3—電控系統(tǒng)；4—右牽引行走部；5—右截割部

電牽引滾筒式采煤機(jī)中的失效軸承大多發(fā)生在截割傳動(dòng)裝置行星機(jī)構(gòu)輸出端、截割傳動(dòng)裝置齒輪箱高速軸處和牽引部行走傳動(dòng)裝置處。除裝配因素及軸承本身質(zhì)量外，電牽引滾筒式采煤機(jī)中所有軸承的早期失效均與其實(shí)際工作游隙[2-4]不當(dāng)有很大關(guān)系。因此，分析主要部位軸承出現(xiàn)早期失效的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。

2 行星機(jī)構(gòu)輸出端軸承

2.1 受力分析

某型采煤機(jī)截割傳動(dòng)裝置行星機(jī)構(gòu)輸出端通過方榫和截割機(jī)構(gòu)與滾筒連接盤相連，輸出高扭矩低轉(zhuǎn)速(一般為30～50 r/min)，傳遞給螺旋滾筒。由于此處為電牽引滾筒式采煤機(jī)直接割煤和裝煤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于短懸臂梁。此處一般配置單列或雙列圓錐滾子軸承：?jiǎn)瘟袌A錐滾子軸承在安裝后才能達(dá)到一定的內(nèi)部游隙；雙列圓錐滾子軸承的內(nèi)部游隙由其隔圈配磨調(diào)節(jié)。圓錐滾子軸承軸向游隙的裝配調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，而軸承的載荷及使用壽命均與實(shí)際工作游隙有很大關(guān)系。此處圓錐滾子軸承常見的故障有異常聲、內(nèi)外圈滾道及擋邊劃傷磨損、保持架局部斷裂、滾動(dòng)體磨損變形及整個(gè)軸承散套等。

2.2 失效分析

經(jīng)分析認(rèn)為軸承失效的主要原因如下。

(1)軸向游隙調(diào)整不當(dāng)。采煤機(jī)截割傳動(dòng)裝置行星機(jī)構(gòu)軸承常規(guī)配置有2種：一是圖2所示上、下兩端均為單列圓錐滾子軸承；二是圖3所示下端用圓柱滾子軸承，上端用帶隔圈的雙列圓錐滾子軸承。

1—滾筒連接盤；2—方榫；3—配合止口；4—浮動(dòng)密封；5—成對(duì)安裝的圓錐滾子軸承

1—圓柱滾子軸承；2—雙列圓錐滾子軸承；3—方榫；4—配合止口；5—浮動(dòng)密封；6—滾筒連接盤

由于結(jié)構(gòu)及裝配的原因，面對(duì)面安裝的單列圓錐滾子軸承載荷中心距a比2套軸承的中心距b要小很多(圖2)。軸承載荷中心距離較小不利于其承受較大的傾覆力矩，且由于力矩載荷引起的徑向力以及由其所導(dǎo)致的軸承變形均比背對(duì)背安裝軸承的要大。另外，面對(duì)面安裝軸承達(dá)到工作溫度時(shí)徑向游隙會(huì)減小，相當(dāng)于增加了預(yù)緊。通常要求軸承運(yùn)行時(shí)仍需留有一定的剩余游隙[2]。對(duì)剛性要求不高的上端圓錐滾子軸承套圈端面和其壓蓋之間預(yù)留50 μm的間隙，如該間隙較大，將嚴(yán)重影響圓錐滾子軸承的疲勞壽命。帶隔圈的雙列圓錐滾子軸承(圖3)游隙可通過配磨中隔圈的寬度尺寸來保證，使兩排圓錐滾子和內(nèi)外圈滾道正好處于線接觸，否則將大大降低軸承的疲勞壽命。

(2)大型采煤機(jī)軸承外端多采用浮動(dòng)密封，一旦浮動(dòng)密封金屬環(huán)損壞，其碎渣塊可能進(jìn)入軸承內(nèi)，直接威脅軸承壽命。

(3)割煤時(shí)軸承所受沖擊載荷過大。

(4)滾筒連接盤和截割傳動(dòng)裝置行星機(jī)構(gòu)方榫配合較松，導(dǎo)致滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)引起的沖量直接沖擊行星機(jī)構(gòu)輸出端的軸承。

2.3 解決措施

(1)對(duì)于圖2所示結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量采用背對(duì)背成對(duì)安裝的雙列圓錐滾子軸承，進(jìn)行預(yù)緊不留間隙。對(duì)于圖3所示軸承，裝配完成后需調(diào)整游隙，最終使軸承工作游隙接近于零或?yàn)樨?fù)游隙。

(2)在保證浮動(dòng)密封潤(rùn)滑和冷卻的條件下，盡量避免密封失效對(duì)軸承的影響。

(3)適當(dāng)減小大直徑滾筒連接盤和截割傳動(dòng)裝置行星機(jī)構(gòu)方榫的配合間隙，以減小滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的長(zhǎng)期沖量對(duì)軸承的影響。

3 行走機(jī)構(gòu)軸承

圖4所示為采煤機(jī)牽引行走部傳動(dòng)裝置的齒輪箱。盡管該處齒輪的轉(zhuǎn)速很低，通常約為6～10 r/min，但因齒輪箱運(yùn)行于刮板機(jī)上的煤流中，工況條件極為惡劣，軸承受力大而復(fù)雜，常見故障有“嘎吱嘎吱”的異常聲、外圈破裂、保持架扭曲及斷裂、整個(gè)軸承散套等。

圖4 開式行走齒輪箱

3.1 失效分析

(1)軸向游隙偏小。為了適應(yīng)導(dǎo)向滑靴和刮板機(jī)銷排水平方向存在間隙的結(jié)構(gòu)，整個(gè)行走輪組件一般均可向左/右滑動(dòng)3～5 mm，但當(dāng)滑動(dòng)到一定位置時(shí)，軸承內(nèi)圈和軸套被導(dǎo)向滑靴內(nèi)側(cè)面限位而不能繼續(xù)滑動(dòng)，但軸承外圈和行走輪由于受力將繼續(xù)滑動(dòng)(圖5)，當(dāng)軸承軸向游隙為零而行走輪帶動(dòng)外圈繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，軸承將產(chǎn)生負(fù)游隙。當(dāng)負(fù)游隙較大時(shí)，軸承內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生額外的附加載荷，從而大幅降低軸承的疲勞壽命。

1—軸承內(nèi)圈；2—導(dǎo)向滑靴內(nèi)側(cè)面；3—軸承外圈；4—行走輪；5—軸套

如某采煤機(jī)行走輪組件內(nèi)選用的是FAG 23132C3/W33軸承，由文獻(xiàn)[5]知

Ga/Gr=2.3Yo,

(1)

式中：Ga為軸向游隙，mm；Gr為最大徑向游隙，Gr=0.22 mm;Yo為軸承計(jì)算系數(shù)(為軸承本身參數(shù))，查表得Yo=2.26。經(jīng)計(jì)算得Ga=1.14 mm，該值為軸承的初始軸向游隙。但在裝配時(shí)因內(nèi)滾道的擴(kuò)張及外滾道的收縮，將導(dǎo)致實(shí)際工作游隙比初始游隙要小。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間隙b-a遠(yuǎn)大于軸承實(shí)際工作游隙時(shí)(圖5)，表明軸承工作時(shí)的負(fù)游隙過大，將嚴(yán)重影響軸承運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)由于行走輪組件處煤粉很多，隨著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)磨損，行走輪組件軸承兩端的密封間隙變大，煤粉可能進(jìn)入到軸承內(nèi)部污染潤(rùn)滑脂，極端情況是煤粉幾乎完全擠滿軸承內(nèi)腔，使其幾乎不能繼續(xù)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)采煤機(jī)行走輪組件與刮板機(jī)銷排的嚙合傳動(dòng)為非共軛的類齒輪齒條傳動(dòng)，采煤機(jī)牽引行走時(shí)此處結(jié)構(gòu)受力大而復(fù)雜，特別是受地質(zhì)條件限制，采煤機(jī)進(jìn)行仰俯采煤時(shí)，整個(gè)行走輪組件均會(huì)承受很大的軸向力。

3.2 解決措施

(1) 選用有較大初始軸向游隙的C5系列調(diào)心滾子軸承，以承受較大的軸向力和較大的動(dòng)載荷。

(2) 選用兩側(cè)帶鋼骨架氟橡膠(FPM)接觸密封圈的軸承(后置代號(hào)含2CS2)，避免或盡量減少煤粉、粉塵進(jìn)入到軸承中。

(3) 對(duì)于行走機(jī)構(gòu)受力很大的采煤機(jī)，可以選用特殊設(shè)計(jì)的滿裝滾子軸承。

4 截割傳動(dòng)部軸承

截割傳動(dòng)部高速軸組件(圖6)為整個(gè)截割傳動(dòng)部機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力傳遞的第1級(jí)，其通過1根細(xì)長(zhǎng)的扭矩軸與截割電動(dòng)機(jī)的花鍵相連，齒輪由圓柱滾子軸承或調(diào)心滾子軸承對(duì)稱支承，并將動(dòng)力傳遞到下一級(jí)。支承軸承圓柱滾子軸承或調(diào)心滾子軸承，保持與截割電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速(約1 475 r/min)，是截割傳動(dòng)部中轉(zhuǎn)速最高的軸承。此處軸承常見故障有異常聲、溫升過快、保持架扭曲斷裂、內(nèi)外圈端面發(fā)黑發(fā)藍(lán)等。

1—截割電動(dòng)機(jī)內(nèi)花鍵；2—扭矩軸；3—高速軸；4—保留間隙；5—?dú)んw；6—截割電動(dòng)機(jī)和殼體止口；7—截割電動(dòng)機(jī)

4.1 故障分析

(1) 對(duì)于雙截割電動(dòng)機(jī)的高速軸結(jié)構(gòu)，由于兩電動(dòng)機(jī)不可能100%同步運(yùn)轉(zhuǎn)，所以兩截割電動(dòng)機(jī)輸出扭矩略有差異，使兩組軸承對(duì)應(yīng)的齒輪受力不均衡，進(jìn)而影響軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)使用工況為高溫，轉(zhuǎn)速較高，如果軸承組自由端端面和壓蓋的間隙過小，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)導(dǎo)致軸承外圈端面與壓蓋接觸，這時(shí)軸承將承受額外的附加力，極易燒壞軸承，特別是圓柱滾子軸承。

4.2 解決措施

(1)設(shè)計(jì)時(shí)可通過控制公差帶增大軸承組自由端和壓蓋間的間隙，如增大到1 mm。

(2)空間允許時(shí)可在一軸組件處(一軸組件和殼體的內(nèi)腔處)增加水冷裝置，以降低潤(rùn)滑油的溫度。

5 結(jié)束語

通過對(duì)電牽引滾筒式采煤機(jī)機(jī)械系統(tǒng)齒輪箱中出現(xiàn)早期失效的軸承進(jìn)行分析，在明確失效原因的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為電牽引滾筒式采煤機(jī)可靠、正常運(yùn)行提供了保障。