煤礦機械傳動齒輪失效技術研究

文/毛新海，淮南礦業集團選煤分公司

煤礦機械齒輪的失效有輪齒折斷、齒面膠合、齒面點蝕和齒面塑性變形等主要形式。由于輪齒嚙合不合理，造成超負荷或沖擊負荷而產生輪齒較軟齒部分金屬的塑性變形，嚴重時在齒頂的邊棱或端部出現飛邊、齒頂變圓，主動齒輪的齒面上有凹陷，被動齒輪的節線附近升起一脊形，使齒面失去正確的齒形。

在煤礦生產中機械設備又具有以下幾個鮮明特點：第一，工作環境極其惡劣，機械設備時刻受到粉塵、水汽、有害氣體等的危害；第二，正常工作情況下，條件苛刻，大部分的機械設備是處在負載大、振動強、摩擦厲害、介質腐蝕嚴重的高速環境下工作；第三，工作時間超長，許多機器都是不分晝夜的連續性工作；第四，因為環境惡劣，工況苛刻，加上停機時間短，這樣直接使得機械的潤滑條件差，機械零部件得不到良好的潤滑和維護。

這幾年來，齒輪傳動在煤礦機械中的使用更為廣泛，但是齒輪的失效速度也很快，最后導致設備的功能發揮不夠充分，嚴重影響到煤礦企業的安全高效運行。下面就齒輪傳動的失效進行分析。

1 煤礦機械齒輪失效形式

隨著煤礦機械化、現代化水平的提高，煤礦機械的功率日趨增大。為了提高煤礦機械的可靠性和使用壽命，對其傳動齒輪必然要提出更高的要求。下面簡要分析煤礦機械齒輪失效的幾種形式：

1.1 表面疲勞

由于輪齒表面或表面下存在著裂紋生核，以及交變應力反復作用而造成材料的疲勞，其應力超出了材料的疲勞極限，初始裂紋擴展。其特征是金屬的移動和形成凹坑，并可使得凹坑合并或增大尺寸。

第一，齒面點蝕，輪齒在工作時，齒輪之間的接觸為高副接觸，輪齒表面會受到很大的接觸應力。當出現齒面接觸應力比允許應力大時，同時，齒面表層又處在多級載荷作用下，這使得齒面很容易出現裂紋，這些裂紋通常開始于輪齒節線附近。當接觸應力對齒面繼續發生作用，這種麻點形成應力的增高，輪齒表面逐漸出現表層金屬的片狀剝落，最終引起齒廓的破壞。

第二，疲勞剝損：對于機械設備而言，疲勞剝損是一種潛在的疲勞破壞，其特征是沿齒頂或頂棱從齒面上脫落下的顆粒或屑片較大。常見于硬齒面或表面淬火的齒輪，起源于齒面下的缺陷，或由于熱處理造成過高的內應力。

1.2 磨損

在煤礦機械設備的磨損中，其形式相對來說比較多，主要有以下幾種形式：正常磨損、中度磨損、破壞性磨損、磨料性磨損（擦傷）、干涉磨損、腐蝕性磨損、膠合、疲勞磨損（點蝕）、燒傷等。下面就介紹其中幾種在煤礦機械設備中經常能夠遇到的磨損。

第一，正常磨損：這種磨損是由于齒面上的金屬相互之間以一定的速率緩慢的損耗。這種磨損是在齒輪的設計壽命之內，不影響設備的正常使用情況，但是其磨損量不允許超過維修標準。

第二，破壞性磨損：它是齒面的損傷、齒廓的變化達到非常嚴重的程度，使運轉的平穩性受到較嚴重的破壞，齒輪的壽命顯著降低。

第三，干涉磨損：由于在設備的使用初期，對齒輪的安裝不當，當輪齒不合理的或提前接觸時，其大部分的應力都其中在主齒輪上，當隨著設備的運行，對齒輪的破壞由輕到重，嚴重時主動輪齒齒根被掘起，而相配齒輪的齒頂嚴重地卷起，引起齒輪副的完全破壞。

第四，疲勞磨損（點蝕）：在齒輪的高副接觸中，材料表層受到很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常會出現表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，有著鈍和粗糙的外觀。

2 齒輪失效原因分析

我國煤礦機械設備事故率高居不下，一直是困擾著煤礦生產安全，極大的阻礙了煤礦企業的發展。齒輪運轉承載后，產生很大的接觸應力；同時齒輪嚙合時，產生很大的彎曲應力，由于曲率半徑及根部形狀因素等使得該處出現應力集中現象，同時這又會引起齒面的剪應力增大，齒面的相對滑動又使滑動前方受壓后方受拉。除潤滑不良、三體（磨粒）磨損、化學腐蝕外，一般地說，若輪齒承受的交變應力超過了材料的疲勞極限或強度極限應力，這樣將會使得齒輪出現以上所介紹的失效形式，以下將分析造成這些失效形式的原因，其中主要表現在以下幾個方面。

2.1 設計方面

在煤礦機械設備的使用過程中，設備的實際工況和使用情況與齒輪的設計參數和技術要求結合不夠緊密，針對性不夠強，缺乏專項切實的科研和實驗。有些標準、規范和測試方法、計算方法不統一、不先進。有些齒輪的材質設計選擇不當，性能不好。

2.2 制造加工方面

制造加工方面存在缺陷，齒輪制造質量達不到標準和技術要求，甚至產品質量低劣。熱處理質量不過關，淬火處理齒面硬度不均，產生淬火裂紋，積存較大內應力。加工精度不高，中、大模數齒輪加工常出現齒圈的徑向跳動和齒形超差，齒面粗糙度不合格，這些都影響著齒輪的接觸精度。直接影響著齒輪的承載能力和壽命。

2.3 安裝使用方面

許多煤礦現場安裝技術規范不健全，基本上靠經驗施工，測量儀器不完備，造成安裝質量不穩定，達不到齒輪安裝技術要求和質量標準。新裝齒輪跑合不充分，達不到跑合的目的和要求。有的違章操作，機械超負荷運轉，超過齒輪的承載能力。

實踐表明，減速器齒輪副的安裝精度，對齒輪的承載能力、磨損和使用壽命有很大影響。無論是新安裝、更換或檢修安裝，都應做到嚴格、精細，按照安裝技術規范和標準進行，特別是齒輪軸心線的水平度、平行度、中心距、軸承間隙、齒輪側隙、頂隙、接觸區域或軸向竄動量等，必須達到質量標準和技術要求。

3 結語

綜上所述，我國煤礦機械設備事故率高居不下，一直是困擾著煤礦生產安全，極大的阻礙了煤礦企業的發展，這是一個亟待解決的安全問題，傳動齒輪作為機械設備中必不可少的一部分，它的設計水平、制造質量和使用管理水平直接關系著煤礦機械設備的可靠性和安全性，同時也影響到設備的使用年限。