煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析及改進(jìn)措施

李志霞

（同煤集團(tuán)云崗礦液壓車間， 山西 大同 037017）

1 煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)與失效形式

1.1 傳動(dòng)特點(diǎn)

因?yàn)槊旱V井下工作環(huán)境非常惡劣，所以煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)必須符合復(fù)雜多變的環(huán)境。受環(huán)境影響，煤礦采掘機(jī)械的傳動(dòng)齒輪需要具備很大的承載力，體積小，抗荷載能力好。此外，煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪還需有很好的傳動(dòng)效能比、高傳動(dòng)效率。

1.2 煤礦機(jī)械齒輪的失效形式

1）磨損。具體體現(xiàn)在中毒、正常、破損性、磨料、干涉、疲勞與膠合磨損等。

2）表面疲勞。因?yàn)楸韺硬馁|(zhì)與齒輪表層存在裂紋或交變應(yīng)力反復(fù)影響讓材料出現(xiàn)疲勞，一旦應(yīng)力超過材料疲勞程度，勢必會擴(kuò)展裂紋。他的特點(diǎn)是金屬移動(dòng)與凹坑，還可能增加坑合尺度。

3）膠合。潤滑油應(yīng)用不當(dāng)或者超負(fù)荷，嚙合區(qū)溫度逐漸升高，受重載作用影響，輪齒接觸層油膜遭到擠壓，讓兩個(gè)輪齒接觸，甚至焊接在一起，讓軟齒沿著接觸面向下滑動(dòng)。受低速重載影響，齒面之間的潤滑油膜很可能出現(xiàn)膠合損壞。

4）塑性流動(dòng)。具體包含塑性變形、起鄒與起波紋等。

5）斷裂。具體包含磨損、疲勞、超負(fù)荷裂紋等。

2 齒輪失效原因

當(dāng)齒輪承載運(yùn)轉(zhuǎn)后，相互接觸的齒面會沿著齒輪進(jìn)行滑動(dòng)與滾動(dòng)，從而得到良好的接觸應(yīng)力。在齒輪嚙合期間，齒輪就如同懸臂在根部承受彎矩，形成較大的應(yīng)力，此時(shí)曲率半徑和根部形狀明顯提高了表層應(yīng)力系數(shù)。較大的接觸力會增加剪應(yīng)力，如果齒輪交變應(yīng)力大于材料疲勞度與強(qiáng)度極限，很可能出現(xiàn)磨損失效。

2.1 設(shè)計(jì)方面

齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)和煤礦機(jī)械的應(yīng)用狀態(tài)結(jié)合不緊密，缺乏針對性與專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，很多標(biāo)準(zhǔn)、測試方式與規(guī)范都不統(tǒng)一。例如：在針對齒輪接觸的疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，依然使用Hertz公式，也就是在交變應(yīng)力狀態(tài)下測試斷裂循環(huán)，然后再制定S-N曲線，將其視為疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是由于傳動(dòng)齒輪受工況與工藝等因素影響，必定會與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量有所差異。

2.2 加工制造

在齒輪鍛造中，由于忽略了鍛造比要求，所以材質(zhì)性能逐漸下滑。熱處理不符合要求，齒面硬度不符合技術(shù)設(shè)計(jì)需要，很多硬度（HB）只在170～200左右；在理齒面硬度處理時(shí)，出現(xiàn)裂紋，從而集聚了很多內(nèi)應(yīng)力。而采掘機(jī)械的齒輪普遍偏淺，梯度偏大。加工中經(jīng)常出現(xiàn)徑向跳動(dòng)、加工精度不夠其都影響了接觸精度，甚至影響了齒輪使用時(shí)間與承載力。

2.3 安裝使用

由于很多安裝技術(shù)不全面，安裝時(shí)僅僅依賴經(jīng)驗(yàn)施工，使得安裝質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，從而使新裝齒輪根本達(dá)不到跑合要求，如：齒輪軸中心線的平行度、嚙合間隙、中心距、水平度、軸承安裝與接觸面積等。不能定期清洗齒輪與減速箱，使用的潤滑油脂不符合工作要求，或者存在缺油、漏油等問題，都是齒輪在使用過程中失效的產(chǎn)生原因。

3 煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)的改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)部署

針對煤礦運(yùn)輸機(jī)的特點(diǎn)，在齒輪設(shè)計(jì)中，必須符合煤礦機(jī)械齒輪形狀與大小，同時(shí)在抵抗沖擊荷載與荷載上都必須擁有足夠強(qiáng)度，最好使用精準(zhǔn)運(yùn)算的方式計(jì)算齒輪強(qiáng)度，然后再合理選材，并結(jié)合齒輪形狀與大小優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)，同時(shí)做好齒輪表層光潔處理，使用先進(jìn)的工藝技術(shù)與手段優(yōu)化齒輪[1]。

齒輪在承載運(yùn)轉(zhuǎn)中，齒面間會出現(xiàn)嚙合（如下頁圖1所示），該嚙合讓齒面間出現(xiàn)接觸應(yīng)力。傳動(dòng)齒輪時(shí)，接觸應(yīng)力變成剪應(yīng)力，外加齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)，他會讓接觸齒面出現(xiàn)滑動(dòng)，后部受拉應(yīng)力影響產(chǎn)生作用[2]。

圖1 齒輪嚙合示意圖

3.2 優(yōu)化材料選擇

在選擇齒輪材料時(shí)，首先要符合齒輪強(qiáng)度，然后再結(jié)合加工工藝與相關(guān)指標(biāo)。如：針對國內(nèi)得到齒輪制造材料，我們可以嘗試使用低碳合金滲碳鋼。針對嚴(yán)重承載與沖擊的齒輪，選擇材料時(shí)盡量使用具有鎳元素的材料，Ni-Cr與Ni-Cr-Mo的合金滲碳鋼是這類鋼材的核心成份。針對載荷波動(dòng)、功率與模數(shù)都很小的齒輪，在制作與選擇齒輪時(shí)，盡量使用沒有Ni-Mn的鋼材，這種類型的滲碳合金鋼中的碳量普遍不高。而其中的Ni還能提高鋼的韌性，Mn、Mo、CR都能增加鋼的透性。另外，Cr還能提高鋼的耐磨特性。當(dāng)前我們的重點(diǎn)研究對象是透性較好的鋼材，然后被作為齒輪鋼材，通常這類鋼芯硬度很高，具有很好的抗變形能力。從相關(guān)部門得到的特殊鋼材齒輪制作來看，其齒輪強(qiáng)度是普通材料的10倍[3]。因此，在現(xiàn)實(shí)工作中，必須高度重視選材，這樣才能不斷改良齒輪性能，拉長齒輪使用周期。

3.3 把握加工工藝

為了將滾刀齒輪加工的誤差降到最低，面對機(jī)械滾輪加工，切忌將粗滾工序與精簡工序混合在一處，最好是對其進(jìn)行分別處理，然后再將粗切工序放到前邊，并結(jié)合工作要求做好精滾齒輪加工工作。面對齒形加工，不能少于9級的精度。另外，在齒輪面加工期間，其對齒輪粗糙度也有很多要求[4]。從相關(guān)統(tǒng)計(jì)來看：齒面粗糙較好的齒輪使用時(shí)間比粗糙度不佳的齒輪壽命要高十多倍。建議在齒輪粗糙度加工期間，最好使用電拋光或者振動(dòng)拋光等形式加工，如此就能不斷提高齒輪齒面粗糙度，以達(dá)到延伸齒輪使用周期的目的。

3.4 增強(qiáng)齒輪處理

針對煤礦齒輪而言，施工壽命與承載力的重要部位是齒輪芯部的過渡區(qū)域到表層的剪切力度與表面強(qiáng)度，最好使用深層滲碳的方式進(jìn)行科學(xué)處理，這種方法不僅能提高齒輪芯部硬度，還能提高齒輪表層的硬化深度，過渡區(qū)域不會存在過多的參與拉應(yīng)力。另外，齒輪表層碳含量盡量控制于0.8%～1%以內(nèi)。在處理內(nèi)部硬度時(shí)，盡量做到均勻，不可存在較大跨度[5]。

3.5 做好潤滑工作

潤滑對煤礦齒輪磨損失效有極大的影響，必須高度重視。煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪的特點(diǎn)是：多數(shù)使用低速重載的齒輪，有很高的接觸應(yīng)力，所以不能忽略齒輪接觸面的局部彈性。在齒輪嚙合期間，除了切點(diǎn)區(qū)域，都是滑行、滾動(dòng)。該特性滿足彈性流動(dòng)體力的潤滑要求，和傳統(tǒng)潤滑理論相比：上面的齒輪彈性變量比剛性邊界得到的油膜厚度大，所以必須結(jié)合相關(guān)規(guī)律與理論計(jì)算潤滑參數(shù)。

[1] 劉穎.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析及改進(jìn)措施[J].煤炭技術(shù)，2013，32（1）：38-39.

[2] 胡延平.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析及改進(jìn)措施[J].江西煤炭科技，2010（3）：105-107.

[3] 馬軍.淺談煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效原因及其改進(jìn)措施[J].山東煤炭科技，2015（12）：111-112.

[4] 張玉玉.分析煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式[J].黑龍江科技信息，2015（23）：80.

[5] 蔚海文.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式及對措[J].山西焦煤科技，2011，35（4）：50-53.