現代煤礦采煤機中減速器的失效分析
——以環形齒輪內齒斷裂為例

張 波

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著薄煤層采煤機在煤炭采集中的廣泛應用，其可靠和安全的使用成為影響采礦效率的關鍵因素。切割單元包括切割頭、切割臂、切割齒輪減速器和切割電機，這些部件在煤礦開采過程中起著關鍵作用。切割頭是構成切割單元最重要的部件。行星齒輪由于其結構緊湊，傳動比范圍大，傳動效率高，廣泛應用于切削減速器的傳動系統，即，將切割電機的動力傳遞給切割臂和頭部。行星齒輪的故障傳動系統主要由采煤機切割煤巖塊剪切反作用力引發的周期性沖擊載荷引起[1]。許多保護措施（比如動態模擬和剩余使用壽命預測等）在切割減速器的齒輪傳動系統上實施，以保護采煤機的安全使用。內部振動監測和故障診斷，也被用來防止在生產過程中切削減速器的傳動系統失效，但其齒輪失效仍然存在。

1 實際斷裂案例及常見分析手段

齒圈廣泛應用于采煤機的切削減速器中，以傳遞切割過程切削扭矩。切割減速器傳動系統的齒圈在運行8 h后斷裂并在試運行狀態墜落。執行緊急采煤層采煤機驟停，并進行維修。其中一個斷裂部分如圖1所示，滲氮層對0.35～0.5 mm深度的影響，其0.35～0.5 mm齒圈齒硬度（HV）要求 550～700。齒的核心硬度（HB）應在 280～320 的范圍內[2]。

1.1 視覺檢查

目視檢查是從圖1所示的失效齒圈落下部位的斷面。對整個骨折部分進行了總體評估。從圖2可以看出，兩部分斷裂面都平行于齒圈。

兩個斷裂表面都呈現出非常平坦的形態，這表明這個環形齒輪失效是由典型的脆性斷裂造成的。所有的裂紋源都位于內齒圈的齒根處。對兩個斷裂部位的齒進行肉眼觀察發現，應力集中點位于該處圖中箭頭標記的齒圈齒根[3]。

圖1 實際案例（連續運行8 h）內齒輪斷裂示意圖

圖2 實際案例（連續運行8 h）內齒輪斷裂界面示意圖

1.2 顯微鏡檢查和硬度測量

對圖1所示的樣品從斷裂部分進行顯微鏡檢查。

對未經蝕刻樣品部分的齒表面附近區域通過光學顯微鏡進行金相檢查，可以看到分散在該部分中的明顯夾雜物。一些夾雜物暴露于齒表面并形成開口。在使用過程中，夾雜物與張開嘴可能充當應力集中點并作為裂紋源，這可能會進一步傳播導致裂紋齒圈齒的故障。表面裂紋的傳播深度可能會達到約1.18～2.00 mm。

環形齒輪齒的核心部分在裂紋擴展路徑和齒面下方的微結構，通過光學顯微鏡進一步檢查，相互比較以確定可能的斷裂機制，失效齒圈的材料微觀結構由上貝氏體、粒狀貝氏體、回火索氏體和少量鐵素體組成。平均晶粒尺寸約為24～28 μm。氮化影響下的齒面深度達到400 μm左右，達到0.35～0.50 mm的深度技術要求。滲氮影響層的深度呈不均勻分布。隨著放大倍數的增加，沿著裂紋的傳播路徑沒有發生氧化脫碳現象。在樣品部分的齒面下方可以觀察到一些像氮化物分散的氮化物和波浪。基于氮化物的脆性特征和氮化物與基體的性質不同微觀結構，晶粒周圍分散的氮化物等可能易于導致晶粒長大形成應力集中帶。沿晶界兩側產生的應力可能歸因于邊界附近的硬氮化物相之間的不協調變形，沿晶界的裂紋和相對軟矩陣相位。氮化影響層的硬度（HV）要求在550～700范圍內。齒輪齒的核心硬度（HB）在280～320范圍內規定。齒表面和齒核心下的淺層硬度測量以檢查制造過程是否符合要求。滲氮影響層的深度約為400 μm，反映在齒下面測得的硬度表面處于指定范圍內。但氮化的硬度影響層幾乎達到指定的上限值。齒附近的淺層硬度表面甚至超過規定的上限值。淺層硬度過高可能會損害強度因為它太脆而不能承受變形[4]。

2 關于斷裂面的進一步探討

齒圈是采煤機傳動系統的重要組成部分。因此在生產和使用過程中需要格外關注。齒輪在正確的設計和制造條件下不會經常失效，這必須要求使用者正確使用和維護。正在調試的環形齒輪投入使用后，在試運行狀態下失敗，表明設計和制造過程中可能存在一些問題。根據斷裂部位的宏觀和微觀檢查，發現了這個齒圈的制造過程存在幾個問題。氮化硬化層的厚度和水平硬度達到規定值。但表面以下薄的淺層硬度（HV）超過了指定范圍（550～700）的上限值，可能導致齒材料的脆性增加。該齒圈齒較高的脆性很容易導致波動載荷下的脆性斷裂和微裂紋萌生。此外，對骨折部位宏觀形態的視覺檢查揭示了齒周圍的一些弱點根，這是齒輪的應力集中區域。

顯微鏡檢查一些裂紋是由暴露于表面的內含物形成的，并且它們的底部可能起應力集中的作用點。如果一個齒輪的齒與開口夾雜物一側的成對齒輪接觸，那么夾雜物可以起到在其彎曲負載下承受小裂紋并進一步傳播的作用。齒輪的材料微觀結構主要由上部構成貝氏體、粒狀貝氏體、回火索氏體和少量鐵素體。基于相變理論以及這種齒圈的熱處理過程，上貝氏體和沉淀鐵氧體很可能是由于淬火液體的冷卻能力不足而形成。寬帶材料分散在上貝氏體中的鐵素體晶粒具有較低的變形抗力。具有滲碳體的微觀結構的材料鐵氧體帶之間的分布很容易發生脆性斷裂并引起裂紋。所以這種環形齒輪材料顯微組織可能具有較高的拉伸強度，但屈服強度和韌性較低，這將導致承受沖擊載荷的能力較低[5]。

根據環形齒輪微觀結構的檢測和斷口表面特征分析，這種環形齒輪的斷裂可能是由于在沖擊載荷作用下裂紋的快速傳播而造成齒圈齒的材料脆性。非金屬夾雜物的應力集中或不均勻主要原因是氮化影響層和樹枝狀晶體的硬度超過了脆性相屬性來引發裂紋。

3 結語

為了防止采煤機減速器中環形齒輪內齒的斷裂失效，應采取以下措施：提高純度；提高加工精度，使產品表面更精細；優化熱處理工藝，使其顯微組織更加致密轉變成具有高韌性的相，并且將高粗糙度屬性賦予齒輪齒面和齒；選擇合理的滲氮工藝參數，防止形成分散的神經和波浪狀氮化物以確保氮化影響層的硬度在規定的范圍內。本文僅對現代煤礦采煤機中減速器環形齒輪內齒斷裂為例進行了失效分析，今后還需要對更多的易損部件作以研究。