煤礦機械傳動齒輪失效形式及優化分析

王 偉

（連云港天明裝備有限公司， 江蘇 連云港 222000）

引言

傳動齒輪廣泛應用于煤礦機械設備中，是煤礦機械生產傳動過程中必不可少的重要因素。煤礦機械傳動齒輪可以在任意兩軸之間產生傳遞動力，但其工作過程中常常伴隨失效問題，導致設備功能得不到充分發揮，大大降低了煤礦開采的工作效率，因此，煤礦機械傳動齒輪優化工作勢在必行[1]。煤礦生產工作需要具備一定程度的安全性，對此，煤礦企業應對機械傳動齒輪進行科學合理的設計，針對其存在的失效問題制訂合理的解決方案，優化煤礦機械傳動齒輪設計制造及安裝流程，進而安全、高效地開展煤礦開采工作。

1 煤礦機械設備傳動齒輪失效形式

煤礦開采工作大部分時間是在井下，其機械設備面臨著極為惡劣的作業環境，因此，對機械設備有很高的質量要求。煤礦機械傳動齒輪對機械設備作業、機械能量傳輸、煤礦開采機械運行等環節影響重大，是煤礦開采設備中極為重要的一個組成部分。在煤礦開采過程中，井下環境惡劣、空間狹窄且聚有大量粉塵，對齒輪損耗極大，同時存在著不可避免的人為損壞，導致煤礦機械傳動齒輪失效的現象時有發生。對此，需分析煤礦機械傳動齒輪失效的主要形式，具體情況如下：

1.1 齒面疲勞

煤礦機械傳動齒輪表面出現損壞即為齒面疲勞，其具體情況可分為疲勞剝損和齒面點蝕。其中疲勞剝損指的是煤礦機械設備由于長期作業引發的自身磨損、損壞，例如齒面上有體積較大的顆粒狀物體脫落，大部分疲勞剝損情況會發生在硬齒面和表面淬火的齒輪上；齒面點蝕指的是煤礦機械傳動齒輪在運行時，齒輪表面發生強度較大的接觸，由于接觸應力超出了正常值，導致煤礦機械傳動齒輪超荷載，從而出現裂痕。通常情況下，出現裂痕最早的部位往往是齒輪節線，由于齒輪表面上應力較大，持續作用于齒輪節線，導致齒輪表面有片狀金屬脫落，繼而破壞齒廓[2]。

1.2 齒輪膠合

當煤礦機械傳動齒輪在作業過程中，潤滑劑使用錯誤、外界負荷超出自身承受界限時，會導致嚙合區溫度急速升高且受到嚴重損壞。此時，齒輪接觸面油膜會遭到破壞，導致齒輪金屬表面直接發生接觸甚至焊接在一起，在軟齒位置留下溝痕或凹痕，這種情況即為齒輪膠合。

1.3 齒面磨損

齒面磨損可分為正常磨損、干涉性磨損和破壞性磨損三種情況，正常磨損指的是齒面金屬之間由于相互接觸、長時間作業產生的磨損，其損壞速率較慢且對煤礦機械設備的正常作業影響不大，但當磨損程度較大且超出規定范圍時，就會影響煤礦機械設備的正常工作，出現齒輪失效的情況；干涉性磨損指的是煤礦機械傳動齒輪安裝流程不規范或者齒輪設計與實際應用需求不符而引起的損耗問題，會導致煤礦機械傳動齒輪在工作過程中逐漸遭到破壞，主要表現為主齒輪應力較大、主齒輪齒根被破壞等；破壞性磨損指的是煤礦機械傳動齒輪受到了較為嚴重的損壞，無法維持設備的正常運行，會降低煤礦機械設備的使用壽命。

1.4 齒面塑性變形

齒面塑性變形指的是齒輪由于外界擠壓發生的變形問題，當齒輪生產材料在質量上存在問題時，會導致煤礦機械傳動齒輪在機械設備中作業時，由于其長期處于超負荷、高速運轉下容易產生齒輪彎曲等問題[3]。例如主動輪與從動輪之間存在機械能的傳遞，在相互作用下齒面可能會出現凹陷的情況導致齒面不平，當齒面變形較為嚴重時，會嚴重影響煤礦機械傳動齒輪的正常運行。

2 齒輪失效的原因

引發煤礦機械傳動齒輪失效的主要原因大多與表面應力過大，導致齒輪磨損有關，當接觸應力過大時，齒面則會出現前后滑動等情況，導致齒輪由于長期擠壓而變形。此外，齒輪腐蝕、潤滑劑使用不合理、作業損耗等因素也會導致煤礦機械傳動齒輪失效，同時齒輪生產所用材料、結構設計等是否合理也會影響煤礦機械傳動齒輪的使用壽命。

2.1 設計不合理

煤礦機械傳動齒輪在參數設計時需結合煤礦機械設備的實際情況，結合作業強度、作業環境等方面因素，否則可能會使齒輪設計不合理，繼而導致齒輪在作業過程中出現失效問題。此外，齒輪設計流程、標準不統一，參數測算、制作材料選擇不合理，實際性能無法滿足齒輪作用需求等因素都會導致齒輪失效。

2.2 制造流程不規范

在煤礦機械傳動齒輪生產過程中，制造材料質量及制造流程會對齒輪作業情況造成影響。一方面，煤礦機械傳動齒輪生產過程中的熱處理工作不規范，熱處理后的齒輪齒面不均勻、硬度不夠，甚至齒輪表面出現淬火裂紋，繼而引發齒輪失效問題[4]。另一方面，在齒輪制造加工時齒輪精度不足，會導致齒面粗糙，大大降低作業時齒輪的接觸精度，繼而降低齒輪的使用壽命。

2.3 安裝使用不合理

煤礦機械傳動齒輪的安裝和使用流程也會對齒輪作業造成影響，甚至引發齒輪失效問題。現階段，部分煤礦開采企業沒有完善的齒輪安裝流程規范，一味地依據往常經驗安裝齒輪，沒有考慮到煤礦機械設備更新和作業環境的變化。在齒輪安裝時沒有使用測量儀器，導致安裝精度不夠，繼而使齒輪運行負載過大，降低齒輪的使用壽命。

3 齒輪優化措施

3.1 完善齒輪設計

齒輪設計人員應結合齒輪作業環境，針對常見齒輪失效形式開展齒輪設計工作，以煤礦機械設備作業環境、常見失效現象為依據進行齒輪制造選材和結構設計。例如，在齒輪選材時，著重提高齒輪的抗彎強度；結合齒面膠合問題，在設計時應提高齒輪齒面的抗膠合能力，為齒輪的高速運行提供保障；在齒面點蝕問題上，應完善齒輪設計方案，以提高齒面接觸強度[5]。鑒于上述問題，工作人員在進行齒輪設計時，應分析齒輪失效形式和原因，并以此為依據確定齒輪抗疲勞能力、齒輪硬度、抗彎曲能力等性能參數，結合作業環境、機械設備的不同確定齒輪大小。此外，煤礦開采工作的作業環境十分惡劣、復雜，其機械設備需要長時間連續運轉，因此，煤礦機械傳動齒輪的各項性能參數還需要進一步優化，相關工作人員應完善參數計算公式，嚴格把關齒輪制造材料的選擇，進而為齒輪的高質量制造提供保障。

3.2 優化齒輪制造

在齒輪制造方面，相關工作人員應盡量采用鍛鋼制造方式。首先，鍛鋼制造的鍛造比應不低于3，在檢查鍛件機械性能時盡可能使用超聲波探傷設備，以確保檢查結果準確，保證齒輪制造原材料質量達標。其次，在齒輪的熱處理時，應確保齒輪表層與芯部過渡區域的剪應力、剪切強度之比不高于0.55，齒輪芯部的硬度可采用深層淬火技術進行提高。現階段，碳氮共滲工藝使用較為廣泛，通過該項工藝可以有效提高齒輪表層硬度，使齒輪應力獲得顯著提高，進而提高煤礦機械傳動齒輪的使用壽命。

3.3 規范使用流程

煤礦機械設備的工作環境較為惡劣，對齒輪存在極大程度的損耗。鑒于此，首先，為確保煤礦機械傳動齒輪運行的安全性、穩定性，相關人員應嚴格規范齒輪使用流程，并在操作時嚴格遵循使用規范；其次，在進行齒輪安裝和檢修工作時，應確保齒輪的承載強度符合實際工作需求。規范的齒輪使用流程，不僅能夠減少齒輪承載超負荷的問題，還可以保證齒輪強度及齒面的光滑度。此外，工作人員應定期警醒煤礦機械傳動齒輪檢修，以期及時發現并解決齒輪失效等問題，為煤礦機械設備的正常運行提供保障。

3.4 使用先進有效的潤滑技術

齒輪的潤滑保養對延長齒輪壽命意義重大，是確保齒輪高效運轉的重中之重。大部分工作人員沒有定期、及時地為煤礦機械傳動齒輪補充潤滑劑，導致齒輪潤滑度不足，在高效運轉下損耗極為嚴重，從而導致齒輪失效。鑒于此，合理使用潤滑劑以降低齒輪磨損、延長齒輪使用壽命是當下工作人員亟待完善的工作環節。目前，大部分工作人員的潤滑劑使用缺乏針對性，面對不同設備、不同作業環境缺乏相應的潤滑劑種類調整，導致潤滑效果差強人意，不利于齒輪使用壽命的提高。對此，工作人員應結合實際作業情況，針對不同齒輪型號、不同工作環境等因素采取針對性的潤滑技術。

3.5 提高機械設備的整體性能

齒輪是煤礦機械設備的重要組成部分，煤礦機械設備的整體質量對齒輪運行也有著一定程度的影響。當機械設備性能存在問題時，會導致齒輪在運轉過程中無法充分發揮自身作用。對此，工作人員應結合煤礦機械設備的實際工作環境，對機械設備內部的各個部件進行定期的檢修處理，引進先進維修技術，進而提高煤礦機械設備的穩定性，降低煤礦機械傳動齒輪磨損。此外，在齒輪等零件采購時，應安排專業人員進行嚴格的質量監測，并在設備安裝和使用時嚴格規范其操作流程，以避免因操作手法錯誤而造成的齒輪損耗[6]。

4 結語

煤礦機械傳動齒輪在煤礦開采過程中有著十分關鍵的作用，其工作形式依附于煤礦機械設備運轉，并不是獨立作業的，因此，當煤礦機械傳動齒輪失效時，其影響范圍較廣。對此，相關工作人員應積極探索煤礦機械傳動齒輪優化技術，對其故障問題采取針對性的解決措施。此外，操作人員應規范自身的作業手法，科學合理地進行煤礦機械傳動齒輪維修與安裝，進而確保傳動齒輪的正常運行，為煤礦開采工作的高效生產提供保障。