电牵引滚筒式采煤机轴承失效分析

王振乾

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

1 问题的提出

电牵引滚筒式采煤机(图1)是一款集成机械、电气、液压及辅助系统的复杂大型煤矿设备，直接担负着煤矿开采工作面的割煤和装煤重任，是工作面的核心设备之一。单从机械系统来看，电牵引采煤机的机械传动系统为齿轮减速箱，即将各电动机(除液压调高系统用电动机)的高转速低扭矩经过齿轮减速箱后转化为低转速高扭矩，轴承是其中的关键部件,是保证采煤机机械系统正常运行的关键。电牵引滚筒式采煤机各齿轮减速箱中的轴承全部为滚动轴承[1]，主要包括球轴承、圆柱滚子轴承、满装滚子轴承、调心滚子轴承、单列及双列圆锥滚子轴承。就成本而言，轴承约占整个减速箱的三分之一。

1—左截割部；2—左牵引行走部；3—电控系统；4—右牵引行走部；5—右截割部

电牵引滚筒式采煤机中的失效轴承大多发生在截割传动装置行星机构输出端、截割传动装置齿轮箱高速轴处和牵引部行走传动装置处。除装配因素及轴承本身质量外，电牵引滚筒式采煤机中所有轴承的早期失效均与其实际工作游隙[2-4]不当有很大关系。因此，分析主要部位轴承出现早期失效的原因，并提出了相应的解决措施。

2 行星机构输出端轴承

2.1 受力分析

某型采煤机截割传动装置行星机构输出端通过方榫和截割机构与滚筒连接盘相连，输出高扭矩低转速(一般为30～50 r/min)，传递给螺旋滚筒。由于此处为电牵引滚筒式采煤机直接割煤和装煤的执行机构，受力复杂，结构上相当于短悬臂梁。此处一般配置单列或双列圆锥滚子轴承：单列圆锥滚子轴承在安装后才能达到一定的内部游隙；双列圆锥滚子轴承的内部游隙由其隔圈配磨调节。圆锥滚子轴承轴向游隙的装配调节较为复杂，而轴承的载荷及使用寿命均与实际工作游隙有很大关系。此处圆锥滚子轴承常见的故障有异常声、内外圈滚道及挡边划伤磨损、保持架局部断裂、滚动体磨损变形及整个轴承散套等。

2.2 失效分析

经分析认为轴承失效的主要原因如下。

(1)轴向游隙调整不当。采煤机截割传动装置行星机构轴承常规配置有2种：一是图2所示上、下两端均为单列圆锥滚子轴承；二是图3所示下端用圆柱滚子轴承，上端用带隔圈的双列圆锥滚子轴承。

1—滚筒连接盘；2—方榫；3—配合止口；4—浮动密封；5—成对安装的圆锥滚子轴承

1—圆柱滚子轴承；2—双列圆锥滚子轴承；3—方榫；4—配合止口；5—浮动密封；6—滚筒连接盘

由于结构及装配的原因，面对面安装的单列圆锥滚子轴承载荷中心距a比2套轴承的中心距b要小很多(图2)。轴承载荷中心距离较小不利于其承受较大的倾覆力矩，且由于力矩载荷引起的径向力以及由其所导致的轴承变形均比背对背安装轴承的要大。另外，面对面安装轴承达到工作温度时径向游隙会减小，相当于增加了预紧。通常要求轴承运行时仍需留有一定的剩余游隙[2]。对刚性要求不高的上端圆锥滚子轴承套圈端面和其压盖之间预留50 μm的间隙，如该间隙较大，将严重影响圆锥滚子轴承的疲劳寿命。带隔圈的双列圆锥滚子轴承(图3)游隙可通过配磨中隔圈的宽度尺寸来保证，使两排圆锥滚子和内外圈滚道正好处于线接触，否则将大大降低轴承的疲劳寿命。

(2)大型采煤机轴承外端多采用浮动密封，一旦浮动密封金属环损坏，其碎渣块可能进入轴承内，直接威胁轴承寿命。

(3)割煤时轴承所受冲击载荷过大。

(4)滚筒连接盘和截割传动装置行星机构方榫配合较松，导致滚筒转动引起的冲量直接冲击行星机构输出端的轴承。

2.3 解决措施

(1)对于图2所示结构，应尽量采用背对背成对安装的双列圆锥滚子轴承，进行预紧不留间隙。对于图3所示轴承，装配完成后需调整游隙，最终使轴承工作游隙接近于零或为负游隙。

(2)在保证浮动密封润滑和冷却的条件下，尽量避免密封失效对轴承的影响。

(3)适当减小大直径滚筒连接盘和截割传动装置行星机构方榫的配合间隙，以减小滚筒转动时的长期冲量对轴承的影响。

3 行走机构轴承

图4所示为采煤机牵引行走部传动装置的齿轮箱。尽管该处齿轮的转速很低，通常约为6～10 r/min，但因齿轮箱运行于刮板机上的煤流中，工况条件极为恶劣，轴承受力大而复杂，常见故障有“嘎吱嘎吱”的异常声、外圈破裂、保持架扭曲及断裂、整个轴承散套等。

图4 开式行走齿轮箱

3.1 失效分析

(1)轴向游隙偏小。为了适应导向滑靴和刮板机销排水平方向存在间隙的结构，整个行走轮组件一般均可向左/右滑动3～5 mm，但当滑动到一定位置时，轴承内圈和轴套被导向滑靴内侧面限位而不能继续滑动，但轴承外圈和行走轮由于受力将继续滑动(图5)，当轴承轴向游隙为零而行走轮带动外圈继续滑动时，轴承将产生负游隙。当负游隙较大时，轴承内部会产生额外的附加载荷，从而大幅降低轴承的疲劳寿命。

1—轴承内圈；2—导向滑靴内侧面；3—轴承外圈；4—行走轮；5—轴套

如某采煤机行走轮组件内选用的是FAG 23132C3/W33轴承，由文献[5]知

Ga/Gr=2.3Yo,

(1)

式中：Ga为轴向游隙，mm；Gr为最大径向游隙，Gr=0.22 mm;Yo为轴承计算系数(为轴承本身参数)，查表得Yo=2.26。经计算得Ga=1.14 mm，该值为轴承的初始轴向游隙。但在装配时因内滚道的扩张及外滚道的收缩，将导致实际工作游隙比初始游隙要小。当结构设计间隙b-a远大于轴承实际工作游隙时(图5)，表明轴承工作时的负游隙过大，将严重影响轴承运转。

(2)由于行走轮组件处煤粉很多，随着设备的运转磨损，行走轮组件轴承两端的密封间隙变大，煤粉可能进入到轴承内部污染润滑脂，极端情况是煤粉几乎完全挤满轴承内腔，使其几乎不能继续有效运转。

(3)采煤机行走轮组件与刮板机销排的啮合传动为非共轭的类齿轮齿条传动，采煤机牵引行走时此处结构受力大而复杂，特别是受地质条件限制，采煤机进行仰俯采煤时，整个行走轮组件均会承受很大的轴向力。

3.2 解决措施

(1) 选用有较大初始轴向游隙的C5系列调心滚子轴承，以承受较大的轴向力和较大的动载荷。

(2) 选用两侧带钢骨架氟橡胶(FPM)接触密封圈的轴承(后置代号含2CS2)，避免或尽量减少煤粉、粉尘进入到轴承中。

(3) 对于行走机构受力很大的采煤机，可以选用特殊设计的满装滚子轴承。

4 截割传动部轴承

截割传动部高速轴组件(图6)为整个截割传动部机械系统动力传递的第1级，其通过1根细长的扭矩轴与截割电动机的花键相连，齿轮由圆柱滚子轴承或调心滚子轴承对称支承，并将动力传递到下一级。支承轴承圆柱滚子轴承或调心滚子轴承，保持与截割电动机的同步转速(约1 475 r/min)，是截割传动部中转速最高的轴承。此处轴承常见故障有异常声、温升过快、保持架扭曲断裂、内外圈端面发黑发蓝等。

1—截割电动机内花键；2—扭矩轴；3—高速轴；4—保留间隙；5—壳体；6—截割电动机和壳体止口；7—截割电动机

4.1 故障分析

(1) 对于双截割电动机的高速轴结构，由于两电动机不可能100%同步运转，所以两截割电动机输出扭矩略有差异，使两组轴承对应的齿轮受力不均衡，进而影响轴承的正常运转。

(2)使用工况为高温，转速较高，如果轴承组自由端端面和压盖的间隙过小，实际运行中会导致轴承外圈端面与压盖接触，这时轴承将承受额外的附加力，极易烧坏轴承，特别是圆柱滚子轴承。

4.2 解决措施

(1)设计时可通过控制公差带增大轴承组自由端和压盖间的间隙，如增大到1 mm。

(2)空间允许时可在一轴组件处(一轴组件和壳体的内腔处)增加水冷装置，以降低润滑油的温度。

5 结束语

通过对电牵引滚筒式采煤机机械系统齿轮箱中出现早期失效的轴承进行分析，在明确失效原因的基础上，提出了相应的改进措施，为电牵引滚筒式采煤机可靠、正常运行提供了保障。