采矿机械齿轮断齿的原因探究

李清潮 韩义

摘 要：煤矿机械由于具有负荷较大、工作时间长的特点，经常出现表面疲劳、齿面点蚀、轮齿断裂、塑性变形等现象。文章根据自身经验，对采矿机械的齿轮断齿现象和断齿的原因进行了具体的分析，并提出了能够提高煤矿机械传动质量、延长齿轮使用寿命的方法，为煤矿齿轮的优化设计提供了有力的技术支撑。

关键词：采矿机械；齿轮；失效；负荷

引言

煤炭是我国最重要的资源之一，而我国的露天煤矿仅占10%，绝大部分煤矿的作业是在地下进行的，与其他机械相比，煤矿机械时刻处于粉尘、水汽、噪音、酸性有害恶劣的气体（如氮氧化物、硫氧化物、硫化氢等）和液体包围之中，工作环境非常恶劣，而且常常处于高速、重载、强振动、强冲击、腐蚀、润滑不良等非常恶劣的工况中，长年累月不分昼夜的连续作业，再加上维护困难造成的润滑不良，使设备常常出现故障。齿轮作为煤矿机械中最常用的零件之一，常用于低速、重载的工作环境，齿轮经常出现故障给生产造成了极大的困难，而齿轮出现故障往往维修困难，所以对煤矿机械齿轮的失效方式及原因进行分析和探讨，对于改进齿轮，延长齿轮的使用寿命具有非常积极的意义。

1 采矿机械齿轮断齿的原因探究

1.1 采矿机械齿轮断齿形式分析

煤矿齿轮常见的失效形式有表面疲劳、齿面点蚀、齿轮断齿、齿面塑性变形、齿面磨损、胶合烧伤等，齿轮磨损、点蚀、疲劳的可能性较大，发生断齿现象的机会较少，但一旦发生断齿现象，往往给企业造成极大的损失，所以对煤矿机械齿轮断齿的原因进行探究就显得至关重要。

齿轮断齿多发生在传动系统的重载齿轮上，如掘进机截割部的减速器末端齿轮、蟹爪装载机的耙爪结构的传动齿轮等，这些齿轮受到较大的集中载荷，使齿轮的轮齿从根部折断，目前常见齿轮的轮齿折断主要疲劳断齿、静力断齿、偏载断齿三种，下面对其进行具体的分析：一是疲劳断齿。疲劳断齿通常发生在直齿轮上，多沿齿长方向从根部断裂，断面多为下凹的曲线；二是静力断齿。静力断齿通常是由于外来负载的突然冲击，使齿轮无法承受发生损坏，这种情况多是挖掘机挖到硬岩或者其他情况下的外来负载突然增大，煤矿机械遇到这种情况的概率远大于其他机械；三是偏载断齿。偏载断齿的发生通常因为箱体、轴、轴承等部件变形、安装误差，造成载荷不均匀分布，从而形成载荷的集中。

1.2 采矿机械齿轮断齿的原因分析

根据自身的实践经验和理论分析可知：发生疲劳断齿的主要原因是由于齿轮在工作过程中受到重复作用的循环载荷，当齿轮的齿根处的弯曲应力达到齿轮的疲劳极限时，齿轮的齿内部就会产生疲劳微裂纹，随着齿轮的继续工作，微裂纹放大和加深，最终造成齿轮的疲劳断裂。疲劳断齿通常又分为低周疲劳断齿和高周疲劳断裂，低周疲劳断裂是指轮齿在较大载荷作用下，循环次数低于材料的循环基数，主要断裂原因是轮齿在受载初期就产生了内部积累损伤，高周疲劳断齿是指轮齿的循环次数高于材料基数，其受载初期不会产生疲劳损伤，但循环次数足够大时仍然会造成疲劳裂纹，乃至疲劳断裂。

发生静力断裂的原因主要是齿面受到较大的冲击载荷，如挖掘机的铲斗被阻挡而不能继续运动，这时候整个系统的转动惯量在极短的时间内作用在受载齿轮的轮齿上，使轮齿受到其正常所受载荷的6-7倍，从而造成轮齿的折断。

发生偏载断齿的主要原因是原本作用于整个齿面的负荷因为某些原因作用在了轮齿的局部，从而造成了轮齿局部应力集中，使轮齿发生折断。

1.3 采矿机械齿轮断齿的解决措施

采矿机械的齿轮发生断齿的因素非常复杂，只有从设计、制造、使用、维护等多个方面着手，才能有效地减少断齿事故的发生，为企业创造良好的经济效率。

首先要正确计算齿轮的工作载荷，采矿机械工作机构上的载荷复杂多变，要采用合理的方法对荷载进行计算，只有正确估计齿轮的载荷，才能做出合适的齿轮；其次要选择正确的材料和热处理工艺，采矿机械的齿轮材料不仅需要较好的强度、硬度、耐磨性，还需要好的冲击韧性和加工工艺性，还要选择合适的热处理工艺，消除系统的内应力，保证齿面的高硬度；再次要选择合适的模数和变位系数，煤矿机械因其工作环境对机械的平稳性要求较好，要适当地加大模数和变位；另外，要在传动系统中设置过载保护，防止冲击载荷的破环，要将齿面设计成鼓形，要加大轴和箱体的刚度和安装精度，以防止偏载。除此之外，还要尽可能地加强机械的检修和维护，尽量保证机械处于一个良好的运行状态，以延长设备的使用寿命。

2 结束语

文章根据自身实践经验和理论研究，对采矿机械齿轮常见的斷齿现象的具体分析，详细论述了轮齿疲劳断裂、静力断裂、偏载断裂现象的原因，并根据这些原因提出了相应的改进措施，为采矿机械齿轮的优化设计提供了有效的技术支撑。

参考文献

[1]涂杰.煤炭机械中齿轮的失效形式和改进方法[J].宁波职业技术学院学报，2008，12（2）：98-101.

[2]张潇云，周新建.改进煤矿机械传动齿轮失效的途径[J].润滑与密封，2004（1）：65-67.

[3]李翠兰，张爱国，李慧萍，等.浅谈煤矿机械齿轮技术的发展趋势[J].煤，2002（3）：43-44.