煤礦機械傳動齒輪失效分析

王丹

（同煤集團晉華宮礦基本建設科，山西大同037016）

引言

現階段，我國煤礦開采大多為井工開采，露天開采所占比重不超過10%。相對于普通工農業，煤礦生產對機械設備的需求更大，而這些設備在非常惡劣的環境中運行，常常會受到粉塵、有害氣體等物質的影響而出現故障。并且煤礦生產機械設備的工作條件也非常嚴苛，一般情況下機械設備運行都處于高負荷、高強度、強振動以及介質腐蝕嚴重的高速狀態。再者，煤礦機械設備往往需要長時間保持運轉，很多機器的工作連續性很強，甚至不分晝夜。此外，各方面因素的影響下，煤礦機械設備的維護與保養往往存在嚴重缺陷。近年來，煤礦機械中廣泛應用到傳動齒輪，然而齒輪的使用會隨著運行時間的延長，在短時間內失效，造成設備難以充分發揮其作用，對煤礦企業的生產造成了十分不利的影響。為此，針對煤礦機械傳動齒輪的研究與探討具有重要意義。

1 煤礦機械齒輪失效形式

1.1 表面疲勞

表面疲勞指的是由于有裂紋生核存在于齒輪表面或表面下，導致金屬移動以及凹坑的形成，進而造成凹坑合并或尺寸增加。關于表面疲勞，具體分析如下：

第一，齒面點蝕。在齒輪運轉過程中，在高副接觸之下，齒輪表面之間的接觸應力會非常大。如果這一應力超出了超出了允許應力的范圍，并且受到多級載荷的影響，那么齒輪表面開裂的概率就很高。一般情況下，這些齒輪節線是最早出現這些裂紋的部分。在持續的接觸應力的作用下，齒輪表面上的麻點的應力就會不斷加大，齒輪表面就會開始有片狀金屬的剝落，進而破壞齒廊，導致齒輪失效。

第二，疲勞剝損。疲勞剝損在機械設備中屬于潛在的疲勞破壞。疲勞剝損的具體表現為有較大的顆粒或屑片沿著齒頂或頂棱從齒面上脫落。一般表面淬火的齒輪或者硬齒面比較容易發生疲勞剝損。這種損傷是由于齒面下缺陷造成的，或者受到熱處理內應力過高的影響，也會發疲勞剝損[2]。

1.2 磨損

煤礦機械設備的磨損形式分為很多種，主要包括正常磨損、中度磨損、破壞性磨損、擦傷、腐蝕性磨損、干涉磨損、點蝕、燒傷、膠合等等。關于煤礦機械設備齒輪磨損，下文對比較常見的幾種磨損形式進行闡述。

第一，正常磨損。齒面上金屬相互之間會以一定的速率發生損耗，這就是正常磨損。正常磨損往往比較慢，其對于齒輪壽命的損耗屬于正常情況，一般不會對設備的正常使用造成影響。然而，當磨損量超過了維修標準時，就會導致齒輪失效。

第二，破壞性磨損。這種磨損的出現代表齒面已經嚴重損傷，齒廓也發生較大的變化。一旦發生破壞性磨損，就會嚴重破壞設備的穩定運行，并且大幅度降低齒輪的使用壽命。

第三，干涉磨損。在設備投入使用之初，如果沒有正確安裝，或者輪齒不合理以及提前接觸，那么就有可能造成干涉磨損。具體表現為主齒輪上集中了大部分應力。在設備運行過程中，齒輪逐漸受到破壞，一旦達到嚴重程度，就會掘起主動齒輪的齒根，相配齒輪的齒頂也會出現嚴重的卷起現象，最終導致齒輪副遭受完全破壞。

1.3 膠合

膠合是指在齒輪負荷過大，或者沒有正確使用潤滑油的情況下，導致嚙合區不斷升溫，一旦受到重載作用，就會擠破齒輪接觸面的油膜，導致兩齒輪的金屬面直接接觸并熔焊到一起，進而使軟齒部分接觸面順著滑動的方向被撕下而起溝。

2 齒輪失效的原因

目前，盡管煤礦機械行業的發展取得了重大突破，然而我國煤礦機械設備的故障率依然非常高，對于煤礦安全生產構成了嚴重的威脅，不利于煤礦行業的健康發展。在齒輪運轉承載之后，其接觸應力會變得很大，并且在齒輪嚙合時，其產生的彎曲應力也很高。在曲率半徑與根部形狀的影響下，這一部分會集中大量應力，并且還會增加齒面剪應力，隨著齒面的滑動，會存在前壓后拉的現象。通常情況下，如果沒有潤滑不良、化學腐蝕以及三體磨損的影響，當齒輪材料的疲勞極限或強度極限應力已經難以適應承受的交變應力，那么上述齒輪失效形式就會發生。而關于造成齒輪失效的原因，具體可以從以下幾個方面得到反映[3]。

2.1 存在設計問題

在煤礦機械設備運行中，齒輪失效往往是由于其在設計過程中相關參數與技術要去沒有緊密結合設備的實際工況與使用情況，設計缺乏針對性，相關的研究與實驗并不到位，并且沒有采用先進、統一的標準、規范以及測試、計算方法。在材質設計方面，并沒有選擇合適的材料，在性能方面無法滿足實際需求。因此必須考慮對齒輪失效產生影響的因素，并對齒輪設計進行合理優化。

2.2 制造加工存在缺陷

有的齒輪在制造加工上存在一定的缺陷，其質量相對低劣，難以符合標準和技術要求。在熱處理上，由于質量不達標，難以保證淬火處理齒面均勻的硬度，進而導致淬火裂紋的產生，在內應力大量積存的情況下，造成齒輪失效。在加工處理中，由于缺乏足夠高的精度，對于模數較大的齒輪加工往往會有齒圈徑向跳動與齒形超差問題的出現，齒面過于粗糙，降低了齒輪的接觸精度。這些問題對于齒輪的承載能力與使用壽命而言，都會產生嚴重的影響。

2.3 安裝使用不合理

大部分煤礦企業在安裝使用上都存在不合理現象。例如缺乏完善的安裝技術規范，在安裝齒輪時，很多工人的施工作業都以經驗為主，缺乏可靠依據，并且沒有配備相關測量儀器，齒輪安裝難以符合技術與質量要求。情況嚴重時還會有違章操作現象，導致機械設備運轉負荷超限，對齒輪的使用壽命造成嚴重的損害。

3 結語

傳動齒輪對于煤礦機械設備正常運轉發揮著關鍵作用，因此必須對此予以重視。現階段我國煤礦機械設備在應對事故方面依然存在諸多不足，其中傳動齒輪失效就是其中之一。這一問題導致煤礦正常生產受到了極大的影響，因此應針對煤礦機械傳動齒輪展開深入研究，結合實際，提出有效的改進方法，提高齒輪的可靠性與使用壽命。

[1]張建靜.煤礦機械傳動齒輪失效問題及對策分析[J].機械管理開發，2015，30（10）：85-86；89.

[2]孫小可，劉瑋.煤礦齒輪傳動機械設備失效機理及應對策略研究[J].機電工程技術，2012（9）：90-92.

[3]劉宇航.采煤機傳動齒輪接觸疲勞性能及其磨損狀態監測研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.