煤礦機(jī)械傳動齒輪失效技術(shù)研究

文/毛新海，淮南礦業(yè)集團(tuán)選煤分公司

煤礦機(jī)械齒輪的失效有輪齒折斷、齒面膠合、齒面點(diǎn)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(fù)荷或沖擊負(fù)荷而產(chǎn)生輪齒較軟齒部分金屬的塑性變形，嚴(yán)重時在齒頂?shù)倪吚饣蚨瞬砍霈F(xiàn)飛邊、齒頂變圓，主動齒輪的齒面上有凹陷，被動齒輪的節(jié)線附近升起一脊形，使齒面失去正確的齒形。

在煤礦生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備又具有以下幾個鮮明特點(diǎn)：第一，工作環(huán)境極其惡劣，機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備是處在負(fù)載大、振動強(qiáng)、摩擦厲害、介質(zhì)腐蝕嚴(yán)重的高速環(huán)境下工作；第三，工作時間超長，許多機(jī)器都是不分晝夜的連續(xù)性工作；第四，因?yàn)榄h(huán)境惡劣，工況苛刻，加上停機(jī)時間短，這樣直接使得機(jī)械的潤滑條件差，機(jī)械零部件得不到良好的潤滑和維護(hù)。

這幾年來，齒輪傳動在煤礦機(jī)械中的使用更為廣泛，但是齒輪的失效速度也很快，最后導(dǎo)致設(shè)備的功能發(fā)揮不夠充分，嚴(yán)重影響到煤礦企業(yè)的安全高效運(yùn)行。下面就齒輪傳動的失效進(jìn)行分析。

1 煤礦機(jī)械齒輪失效形式

隨著煤礦機(jī)械化、現(xiàn)代化水平的提高，煤礦機(jī)械的功率日趨增大。為了提高煤礦機(jī)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(jī)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(yīng)力反復(fù)作用而造成材料的疲勞，其應(yīng)力超出了材料的疲勞極限，初始裂紋擴(kuò)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(diǎn)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(yīng)力。當(dāng)出現(xiàn)齒面接觸應(yīng)力比允許應(yīng)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(xiàn)裂紋，這些裂紋通常開始于輪齒節(jié)線附近。當(dāng)接觸應(yīng)力對齒面繼續(xù)發(fā)生作用，這種麻點(diǎn)形成應(yīng)力的增高，輪齒表面逐漸出現(xiàn)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(jī)械設(shè)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?；蛐计^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(nèi)應(yīng)力。

1.2 磨損

在煤礦機(jī)械設(shè)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(diǎn)蝕）、燒傷等。下面就介紹其中幾種在煤礦機(jī)械設(shè)備中經(jīng)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(shè)計壽命之內(nèi)，不影響設(shè)備的正常使用情況，但是其磨損量不允許超過維修標(biāo)準(zhǔn)。

第二，破壞性磨損：它是齒面的損傷、齒廓的變化達(dá)到非常嚴(yán)重的程度，使運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到較嚴(yán)重的破壞，齒輪的壽命顯著降低。

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

第四，疲勞磨損（點(diǎn)蝕）：在齒輪的高副接觸中，材料表層受到很大的接觸應(yīng)力，當(dāng)載荷重復(fù)作用時，常會出現(xiàn)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(jī)械設(shè)備事故率高居不下，一直是困擾著煤礦生產(chǎn)安全，極大的阻礙了煤礦企業(yè)的發(fā)展。齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)承載后，產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力；同時齒輪嚙合時，產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，由于曲率半徑及根部形狀因素等使得該處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時這又會引起齒面的剪應(yīng)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(xué)腐蝕外，一般地說，若輪齒承受的交變應(yīng)力超過了材料的疲勞極限或強(qiáng)度極限應(yīng)力，這樣將會使得齒輪出現(xiàn)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(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 設(shè)計方面

在煤礦機(jī)械設(shè)備的使用過程中，設(shè)備的實(shí)際工況和使用情況與齒輪的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求結(jié)合不夠緊密，針對性不夠強(qiáng)，缺乏專項(xiàng)切實(shí)的科研和實(shí)驗(yàn)。有些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和測試方法、計算方法不統(tǒng)一、不先進(jìn)。有些齒輪的材質(zhì)設(shè)計選擇不當(dāng)，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(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，甚至產(chǎn)品質(zhì)量低劣。熱處理質(zhì)量不過關(guān)，淬火處理齒面硬度不均，產(chǎn)生淬火裂紋，積存較大內(nèi)應(yīng)力。加工精度不高，中、大模數(shù)齒輪加工常出現(xiàn)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(xiàn)場安裝技術(shù)規(guī)范不健全，基本上靠經(jīng)驗(yàn)施工，測量儀器不完備，造成安裝質(zhì)量不穩(wěn)定，達(dá)不到齒輪安裝技術(shù)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。新裝齒輪跑合不充分，達(dá)不到跑合的目的和要求。有的違章操作，機(jī)械超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，超過齒輪的承載能力。

實(shí)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(yīng)做到嚴(yán)格、精細(xì)，按照安裝技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(cè)隙、頂隙、接觸區(qū)域或軸向竄動量等，必須達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

3 結(jié)語

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