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(shè)科，山西大同037016）

引言

現(xiàn)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(nóng)業(yè)，煤礦生產(chǎn)對機械設(shè)備的需求更大，而這些設(shè)備在非常惡劣的環(huán)境中運行，常常會受到粉塵、有害氣體等物質(zhì)的影響而出現(xiàn)故障。并且煤礦生產(chǎn)機械設(shè)備的工作條件也非常嚴(yán)苛，一般情況下機械設(shè)備運行都處于高負荷、高強度、強振動以及介質(zhì)腐蝕嚴(yán)重的高速狀態(tài)。再者，煤礦機械設(shè)備往往需要長時間保持運轉(zhuǎn)，很多機器的工作連續(xù)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(shè)備的維護與保養(yǎng)往往存在嚴(yán)重缺陷。近年來，煤礦機械中廣泛應(yīng)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(nèi)失效，造成設(shè)備難以充分發(fā)揮其作用，對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)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(dǎo)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(guān)于表面疲勞，具體分析如下：

第一，齒面點蝕。在齒輪運轉(zhuǎn)過程中，在高副接觸之下，齒輪表面之間的接觸應(yīng)力會非常大。如果這一應(yīng)力超出了超出了允許應(yīng)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(jié)線是最早出現(xiàn)這些裂紋的部分。在持續(xù)的接觸應(yīng)力的作用下，齒輪表面上的麻點的應(yīng)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(dǎo)致齒輪失效。

第二，疲勞剝損。疲勞剝損在機械設(shè)備中屬于潛在的疲勞破壞。疲勞剝損的具體表現(xiàn)為有較大的顆?；蛐计刂X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(fā)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(nèi)應(yīng)力過高的影響，也會發(fā)疲勞剝損[2]。

1.2 磨損

煤礦機械設(shè)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(guān)于煤礦機械設(shè)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(fā)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(shè)備的正常使用造成影響。然而，當(dāng)磨損量超過了維修標(biāo)準(zhǔn)時，就會導(dǎo)致齒輪失效。

第二，破壞性磨損。這種磨損的出現(xiàn)代表齒面已經(jīng)嚴(yán)重損傷，齒廓也發(fā)生較大的變化。一旦發(fā)生破壞性磨損，就會嚴(yán)重破壞設(shè)備的穩(wěn)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(shè)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(xiàn)為主齒輪上集中了大部分應(yīng)力。在設(shè)備運行過程中，齒輪逐漸受到破壞，一旦達到嚴(yán)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(xiàn)嚴(yán)重的卷起現(xiàn)象，最終導(dǎo)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(dǎo)致嚙合區(qū)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(dǎo)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(yè)的發(fā)展取得了重大突破，然而我國煤礦機械設(shè)備的故障率依然非常高，對于煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，不利于煤礦行業(yè)的健康發(fā)展。在齒輪運轉(zhuǎn)承載之后，其接觸應(yīng)力會變得很大，并且在齒輪嚙合時，其產(chǎn)生的彎曲應(yīng)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(yīng)力，并且還會增加齒面剪應(yīng)力，隨著齒面的滑動，會存在前壓后拉的現(xiàn)象。通常情況下，如果沒有潤滑不良、化學(xué)腐蝕以及三體磨損的影響，當(dāng)齒輪材料的疲勞極限或強度極限應(yīng)力已經(jīng)難以適應(yīng)承受的交變應(yīng)力，那么上述齒輪失效形式就會發(fā)生。而關(guān)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(shè)計問題

在煤礦機械設(shè)備運行中，齒輪失效往往是由于其在設(shè)計過程中相關(guān)參數(shù)與技術(shù)要去沒有緊密結(jié)合設(shè)備的實際工況與使用情況，設(shè)計缺乏針對性，相關(guān)的研究與實驗并不到位，并且沒有采用先進、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及測試、計算方法。在材質(zhì)設(shè)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(chǎn)生影響的因素，并對齒輪設(shè)計進行合理優(yōu)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(zhì)量相對低劣，難以符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。在熱處理上，由于質(zhì)量不達標(biāo)，難以保證淬火處理齒面均勻的硬度，進而導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生，在內(nèi)應(yīng)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(shù)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(xiàn)，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(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

2.3 安裝使用不合理

大部分煤礦企業(yè)在安裝使用上都存在不合理現(xiàn)象。例如缺乏完善的安裝技術(shù)規(guī)范，在安裝齒輪時，很多工人的施工作業(yè)都以經(jīng)驗為主，缺乏可靠依據(jù)，并且沒有配備相關(guān)測量儀器，齒輪安裝難以符合技術(shù)與質(zhì)量要求。情況嚴(yán)重時還會有違章操作現(xiàn)象，導(dǎo)致機械設(shè)備運轉(zhuǎn)負荷超限，對齒輪的使用壽命造成嚴(yán)重的損害。

3 結(jié)語

傳動齒輪對于煤礦機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此必須對此予以重視?，F(xiàn)階段我國煤礦機械設(shè)備在應(yīng)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(dǎo)致煤礦正常生產(chǎn)受到了極大的影響，因此應(yīng)針對煤礦機械傳動齒輪展開深入研究，結(jié)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(fā)，2015，30（10）：85-86；89.

[2]孫小可，劉瑋.煤礦齒輪傳動機械設(shè)備失效機理及應(yīng)對策略研究[J].機電工程技術(shù)，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(tài)監(jiān)測研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.