采礦機(jī)械齒輪斷齒的原因探究

李清潮 韓義

摘 要：煤礦機(jī)械由于具有負(fù)荷較大、工作時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)表面疲勞、齒面點(diǎn)蝕、輪齒斷裂、塑性變形等現(xiàn)象。文章根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，對(duì)采礦機(jī)械的齒輪斷齒現(xiàn)象和斷齒的原因進(jìn)行了具體的分析，并提出了能夠提高煤礦機(jī)械傳動(dòng)質(zhì)量、延長(zhǎng)齒輪使用壽命的方法，為煤礦齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：采礦機(jī)械；齒輪；失效；負(fù)荷

引言

煤炭是我國(guó)最重要的資源之一，而我國(guó)的露天煤礦僅占10%，絕大部分煤礦的作業(yè)是在地下進(jìn)行的，與其他機(jī)械相比，煤礦機(jī)械時(shí)刻處于粉塵、水汽、噪音、酸性有害惡劣的氣體（如氮氧化物、硫氧化物、硫化氫等）和液體包圍之中，工作環(huán)境非常惡劣，而且常常處于高速、重載、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊、腐蝕、潤(rùn)滑不良等非常惡劣的工況中，長(zhǎng)年累月不分晝夜的連續(xù)作業(yè)，再加上維護(hù)困難造成的潤(rùn)滑不良，使設(shè)備常常出現(xiàn)故障。齒輪作為煤礦機(jī)械中最常用的零件之一，常用于低速、重載的工作環(huán)境，齒輪經(jīng)常出現(xiàn)故障給生產(chǎn)造成了極大的困難，而齒輪出現(xiàn)故障往往維修困難，所以對(duì)煤礦機(jī)械齒輪的失效方式及原因進(jìn)行分析和探討，對(duì)于改進(jìn)齒輪，延長(zhǎng)齒輪的使用壽命具有非常積極的意義。

1 采礦機(jī)械齒輪斷齒的原因探究

1.1 采礦機(jī)械齒輪斷齒形式分析

煤礦齒輪常見(jiàn)的失效形式有表面疲勞、齒面點(diǎn)蝕、齒輪斷齒、齒面塑性變形、齒面磨損、膠合燒傷等，齒輪磨損、點(diǎn)蝕、疲勞的可能性較大，發(fā)生斷齒現(xiàn)象的機(jī)會(huì)較少，但一旦發(fā)生斷齒現(xiàn)象，往往給企業(yè)造成極大的損失，所以對(duì)煤礦機(jī)械齒輪斷齒的原因進(jìn)行探究就顯得至關(guān)重要。

齒輪斷齒多發(fā)生在傳動(dòng)系統(tǒng)的重載齒輪上，如掘進(jìn)機(jī)截割部的減速器末端齒輪、蟹爪裝載機(jī)的耙爪結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪等，這些齒輪受到較大的集中載荷，使齒輪的輪齒從根部折斷，目前常見(jiàn)齒輪的輪齒折斷主要疲勞斷齒、靜力斷齒、偏載斷齒三種，下面對(duì)其進(jìn)行具體的分析：一是疲勞斷齒。疲勞斷齒通常發(fā)生在直齒輪上，多沿齒長(zhǎng)方向從根部斷裂，斷面多為下凹的曲線；二是靜力斷齒。靜力斷齒通常是由于外來(lái)負(fù)載的突然沖擊，使齒輪無(wú)法承受發(fā)生損壞，這種情況多是挖掘機(jī)挖到硬巖或者其他情況下的外來(lái)負(fù)載突然增大，煤礦機(jī)械遇到這種情況的概率遠(yuǎn)大于其他機(jī)械；三是偏載斷齒。偏載斷齒的發(fā)生通常因?yàn)橄潴w、軸、軸承等部件變形、安裝誤差，造成載荷不均勻分布，從而形成載荷的集中。

1.2 采礦機(jī)械齒輪斷齒的原因分析

根據(jù)自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析可知：發(fā)生疲勞斷齒的主要原因是由于齒輪在工作過(guò)程中受到重復(fù)作用的循環(huán)載荷，當(dāng)齒輪的齒根處的彎曲應(yīng)力達(dá)到齒輪的疲勞極限時(shí)，齒輪的齒內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生疲勞微裂紋，隨著齒輪的繼續(xù)工作，微裂紋放大和加深，最終造成齒輪的疲勞斷裂。疲勞斷齒通常又分為低周疲勞斷齒和高周疲勞斷裂，低周疲勞斷裂是指輪齒在較大載荷作用下，循環(huán)次數(shù)低于材料的循環(huán)基數(shù)，主要斷裂原因是輪齒在受載初期就產(chǎn)生了內(nèi)部積累損傷，高周疲勞斷齒是指輪齒的循環(huán)次數(shù)高于材料基數(shù)，其受載初期不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，但循環(huán)次數(shù)足夠大時(shí)仍然會(huì)造成疲勞裂紋，乃至疲勞斷裂。

發(fā)生靜力斷裂的原因主要是齒面受到較大的沖擊載荷，如挖掘機(jī)的鏟斗被阻擋而不能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在極短的時(shí)間內(nèi)作用在受載齒輪的輪齒上，使輪齒受到其正常所受載荷的6-7倍，從而造成輪齒的折斷。

發(fā)生偏載斷齒的主要原因是原本作用于整個(gè)齒面的負(fù)荷因?yàn)槟承┰蜃饔迷诹溯嘄X的局部，從而造成了輪齒局部應(yīng)力集中，使輪齒發(fā)生折斷。

1.3 采礦機(jī)械齒輪斷齒的解決措施

采礦機(jī)械的齒輪發(fā)生斷齒的因素非常復(fù)雜，只有從設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)等多個(gè)方面著手，才能有效地減少斷齒事故的發(fā)生，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效率。

首先要正確計(jì)算齒輪的工作載荷，采礦機(jī)械工作機(jī)構(gòu)上的載荷復(fù)雜多變，要采用合理的方法對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算，只有正確估計(jì)齒輪的載荷，才能做出合適的齒輪；其次要選擇正確的材料和熱處理工藝，采礦機(jī)械的齒輪材料不僅需要較好的強(qiáng)度、硬度、耐磨性，還需要好的沖擊韌性和加工工藝性，還要選擇合適的熱處理工藝，消除系統(tǒng)的內(nèi)應(yīng)力，保證齒面的高硬度；再次要選擇合適的模數(shù)和變位系數(shù)，煤礦機(jī)械因其工作環(huán)境對(duì)機(jī)械的平穩(wěn)性要求較好，要適當(dāng)?shù)丶哟竽?shù)和變位；另外，要在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)載保護(hù)，防止沖擊載荷的破環(huán)，要將齒面設(shè)計(jì)成鼓形，要加大軸和箱體的剛度和安裝精度，以防止偏載。除此之外，還要盡可能地加強(qiáng)機(jī)械的檢修和維護(hù)，盡量保證機(jī)械處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究，對(duì)采礦機(jī)械齒輪常見(jiàn)的斷齒現(xiàn)象的具體分析，詳細(xì)論述了輪齒疲勞斷裂、靜力斷裂、偏載斷裂現(xiàn)象的原因，并根據(jù)這些原因提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為采礦機(jī)械齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)支撐。

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