现代化采煤机中减速器的失效分析

现代化采煤机中减速器的失效分析
摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的煤矿工程的发展也突飞猛进。

采煤机
是现代煤矿机械研究的重要课题之一，保证采煤机运行稳定和提高采煤机的工作
寿命是课题研究的主旨。

采煤机的工作环境十分复杂，矿井内部的大量粉尘是破
坏采煤机零部件的主要因素，粉尘粒子进入采煤机的零件间隙内，不但会造成表
面材料性质的变化，而且也会干扰正常运动轨迹，直至采煤机不能正常工作，而
采煤机一旦不能正常工作，其维修的力度及成本就会相当大，造成巨大的经济损失，因此保障采煤机正常平稳工作是研究采煤机的工作重点。

关键词：现代化；采煤机；减速器；失效分析
引言
在煤炭开采过程中薄煤层的采煤设备越来越受到广泛欢迎，它同时具备较为
可靠以及安全的开采功能，这使此类采煤设备成为影响整个矿区工作效率的关键。

采煤设备的主要工作单元是切割单元，主要由切割臂、切割头、齿轮减速器以及
电机几部分组成，并在开采工作中担任重要角色。

其中的切割头是整个的切割单
元中最主要的工作部件。

采煤机中切割单元的齿轮减速器主要由行星齿轮构成，
正是因为行星齿轮具备传动比较为广泛，而且传动效率较高等特点，使得行星齿
轮被大量应用。

此处的行星齿轮主要作用是传递切割电机的动力，将其传递给切
割臂。

在系统故障方面，行星齿轮的故障主要由切割目标煤层的反作用力的周期
性变化构成。

于是在轮系结构方面增加了许多的保护性措施，例如切割过程的动
态模拟以及寿命评估等措施，目的是保护整个采煤机的正常运行。

在采煤机的工
作监测以及诊断方面，运用一定的振动监测技术防止减速器的传动故障，即使这
样依然会出现齿轮的失效发生。

1实际断裂案例及常见分析手段
在采煤机设备内部的切割系统使用的减速器中，普遍将齿圈作为传递扭矩的
部件使用在减速器中。

在实际的实验过程中齿圈在减速器正常运行8h后断裂并
脱落。

此时的采煤机立即停止生产，之后进行检查维修操作。

在齿轮的设计过程中，0.35～0.5mm的渗氮层金属起着相当大的作用，工艺方面要求这一深度的金
属硬度达到550～700HV。

在齿圈的中心部位要求硬度达到280～320HB。

1.1视觉检查
视觉检查主要针对失效齿圈的失效部位进行断面检查，然后对整个的骨折断
面进行评估分析。

可知齿的断裂面都与齿圈相平行。

其中的两个断裂面表现出了
较为平直的状态，这说明该齿轮的断裂失效原因是直接的轮齿脆性断裂。

断裂处
的裂纹主要来自于齿圈的根部。

1.2显微镜检查和硬度测量
包括对样品表面齿形的光学显微检验，此检验技术通过金相显微方法实现断
裂部位夹杂物的放大分析。

其中的部分夹杂物形成于轮齿表面并扩展为开口状。

在轮齿的使用过程中，正是因为轮齿表面的夹杂物以及开口处会形成应力集中点，会进一步发展为裂纹，如果任其发展会导致齿圈故障。

通过对轮齿材料的进一步
金相组织分析对裂纹处的微观结构进行分析，对轮齿的核心部位裂纹路径以及齿
面结构进行光学显微分析，然后对比分析断裂的不同形式确定断裂机制。

在失效
的轮齿齿圈处，微观材料由贝氏体、索氏体以及铁素体构成。

其中的晶粒大小在24～28μm之间；经过氮化处理后的轮齿特定材料渗透到400μm左右，厚度达到0.35～0.50mm，这也是氮化处理的技术要求，这正好说明经过氮化处理的金属在
厚度方向分布不均。

随着金相显微镜的进一步细化，在裂纹处的齿圈金属并没有
发生氧化脱碳的反应。

对样品的齿面材料分析观察到齿面上分布了一些类似氮化
物的物质，同时材料呈现波浪式的分布。

正是因为氮化物的基本特性与氮化物的
基体特质不同微观结构也不同，使得基体周围形成分散的氮化物晶粒，进而形成
应力集中区域。

氮化物影响下的金属层硬度要求在550～700HV。

轮齿核心部位
的硬度要求在280～320HB，对轮齿表面以及轮齿核心部位进行硬度检测检验轮
齿的制造是否达标。

在轮齿表面要求渗氮作用的深度在400μm左右，这个深度正是通过实际的硬度检测规定出来的指标。

在氮化作用的影响下金属硬度达到上限，而且附近的金属表面硬度也达到了上限值。

表面硬度过高很容易对金属的强度产
生影响，使得金属过脆而不能出现弹性变形性质。

2重要性
提高采煤机的综合性能，在采煤机截割部行星减速器的研究理论基础上，建
立MG500－1180/WD型电牵引式采煤机中的行星减速系统参数化模型，并基于
有限元分析理论对整体进行静力学分析，利用ANSYS对行星减速系统进行疲劳分
析并与静力学分析结果进行对比，结果如下:对行星轮系进行系统静力学分析可知，工况条件下行星轮系中行星架和行星齿轮轴颈处应力和应变较大，最大等效应力、应变发生在行星输出轴行星架滚筒处，最大等效应力为0．91×107Pa、应变最大
处发生在行星架输出轴上，其最大变形为0．47×10－3m，系统最小安全因子为1．755，该参数为机构结构优化提供了参考和依据。

3关于断裂面的进一步探讨
采煤机在进行系统传动的过程中，齿圈作为传动系统的重要部分在生产使用
过程中受到广泛的关注。

所以齿轮在设计制造过程中一般不会出现较为严重的问题，一般情况下不会出现失效的现象，这同时需要在使用过程中进行良好的维护
与管理。

如果调试后的齿轮在正式投入生产使用之后出现了问题，就说明轮齿的
设计与制造出现了问题。

此时对轮齿的断裂部位进行微观检查分析可以发现问题。

虽然氮化处理的深度达到了规定的标准，硬度也达到了要求，但是表面层金属的
硬度同样超过了制定的标准，使得轮齿表面材料强度降低，脆性增加。

该轮齿在
波动的载荷作用下很容易导致脆性断裂以及裂纹产生。

同时从宏观角度进行分析
发现，轮齿断裂处也正是应力集中点。

在轮齿的裂纹处由于夹杂物的影响使得该
区域成为应力集中点。

当轮齿中含有夹杂物的一侧与另一成对轮齿接触时，轮齿
的夹杂物一侧就会产生变形导致较小裂纹的扩展。

此处的轮齿微观上由贝氏体、
索氏体以及铁素体构成。

渗碳体与铁素体之间会产生分布带，很容易造成脆性断
裂而产生裂纹。

综合可知这种材料具有较高的拉伸强度，然而材料的韧性较低，
这很容易导致材料的抵抗变化载荷的能力降低。

从轮齿的断口状态以及微观结构
分析，发现此类齿轮的轮齿断裂很可能是因为不稳定的冲击载荷导致裂纹的进一
步扩大，进而导致了金属材料的脆性断裂。

夹杂物导致应力集中的主要原因是氮
化层处的金属影响使得金属表面硬度超过了既定标准，使得金属材料的脆性特性
导致了裂纹。

结语
综合以上分析可知，为了更好地防止减速器中的齿轮断裂现象发生，需要针
对性地采取措施进行轮齿的设计与生产制造过程优化，具体措施有：提高轮齿制
造材料的纯度；轮齿加工制造过程中进一步提高加工精度，对轮齿表面进行进一
步细化；对轮齿的表面进行优化工艺处理，改变金属的显微组织，使得金属组织
结构变的更具韧性，同时在轮齿齿面上加大粗糙度设计；使用合理的渗氮工艺，
保证渗氮层金属硬度在规定的范围，同时避免形成分散的以及波浪式的金属纹路。

在研究不足方面，本文仅仅针对减速器中的轮齿进行内齿的裂纹分析，在易损部
件的多样化分析方面还有所欠缺。

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