机械传动齿轮失效设计研究

[摘 要]在机械传动中，齿轮传动使用范围很广，可以用来传递任意两根轴之间的运动和动力，但是齿轮的失效速度也很快，最后导致设备的功能发挥不够充分，严重影响到煤矿企业的安全高效运行。本文通过对煤矿机械中各种齿轮的失效形式及原因的分析，不仅能够使得煤矿机械设备的功能发挥到极致，同时还能够对设备本身存在的一些缺点做了很好的补充，这样可以使得机械设备的使用寿命大幅度提高，对煤矿企业实现安全高效生产提供了有力保障。

[关键词]煤矿机械；机械传动；齿轮失效；

中图分类号：TD407 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0369-01

1、前言

当前，随着煤矿工业的机械化和自动化程度的不断提高，各种大型的采煤机、掘进机和提升机等大功率机械，功率达到了几千千瓦。功率的增大导致煤矿机械的输出扭矩随之增大，但是，煤矿机械的使用条件决定了齿轮的尺寸、模数等都要受到机械尺寸的限制因此，从提高煤矿机械的可靠性、安全性和机械的使用寿命出发，对其传动齿轮的设计和制造提出了更高的要求。在煤矿生产中机械设备又具有以下几个鲜明特点：第一，工作环境极其恶劣，机械设备时刻受到粉尘、水汽、有害气体等的危害；第二，正常工作情况下，条件苛刻，大部分的机械设备是处在负载大、振动强、摩擦厉害、介质腐蚀严重的高速环境下工作；第三，工作时间超长，许多机器都是不分昼夜的连续性工作；第四，因为环境恶劣，工况要求高，再者停机时间短，这样直接使得机械零部件得不到良好的润滑和维护。

这几年来，齿轮传动在煤矿机械中的使用更为广泛，但是齿轮的失效速度也很快，最后导致设备的功能发挥不够充分，严重影响到煤矿企业的安全高效运行。下面就齿轮传动的失效进行分析。

2、煤矿机械齿轮失效形式

随着煤矿机械化、现代化水平的提高，煤矿机械的功率日趋增大。为了提高煤矿机械的可靠性和使用寿命，对其传动齿轮必然要提出更高的要求。下面简要分析煤矿机械齿轮失效的几种形式：

（1）表面疲劳

由于轮齿表面或表面下存在着裂纹生核，其特征是金属的移动和形成凹坑，并可使得凹坑合并或增大尺寸。

第一，齿面点蚀，轮齿在工作时，齿轮之间的接触为高副接触，轮齿表面会受到很大的接触应力。当出现齿面接触应力比允许应力大时，同时，齿面表层又处在多级载荷作用下，这使得齿面很容易出现裂纹，这些裂纹通常开始于轮齿节线附近，如图l所示，就可以清楚的看出。当接触应力对齿面继续发生作用，这种麻点形成应力的增高，轮齿表面逐渐出现表层金属的片状剥落，最终引起齿廓的破坏。

第二，疲劳剥损：对于机械设备而言，疲劳剥损是一种潜在的疲劳破坏，其特征是沿齿顶或顶棱从齿面上脱落下的颗粒或屑片较大。常见于硬齿面或表面淬火的齿轮，起源于齿面下的缺陷，或由于热处理造成过高的内应力。

（2）磨损

在煤矿机械设备的磨损中，其形式相对来说比较多，主要有以下几种形式：正常磨损、中度磨损、破坏性磨损、磨料性磨损（擦伤）、干涉磨损、腐蚀性磨损、胶合、疲劳磨损（点蚀）、烧伤等。下面就介绍其中几种在煤矿机械设备中经常能够遇到的磨损。

第一，正常磨损：这种磨损是由于齿面上的金属相互之间以一定的速率缓慢的损耗。这种磨损是在齿轮的设计寿命之内，不影响设备的正常使用情况，但是其磨损量不允许超过维修标准。

第二，破坏性磨损：它是齿面的损伤、齿廓的变化达到非常严重的程度，使运转的平稳性受到较严重的破坏，齿轮的寿命显著降低。

第三，干涉磨损：由于在设备的使用初期，对齿轮的安装不当，当轮齿不合理的或提前接触时，其大部分的应力都其中在主齿轮上，当随着设备的运行，对齿轮的破坏由轻到重，严重时主动轮齿齿根被掘起，而相配齿轮的齿顶严重地卷起，引起齿轮副的完全破坏。

（3）胶合

由于超负荷或使用润滑油不当，常因啮合区温度升高，在重载作用下轮齿接触面的油膜被挤破，使两轮齿的金属面直接接触并熔焊在一起，引起软齿部分接触面沿滑动方向被撕下而起沟。

3、齿轮失效原因分析

我国煤矿机械设备事故率高居不下，一直是困扰着煤矿生产安全，极大的阻碍了煤矿企业的发展。齿轮运转承载后，产生很大的接触应力；同时齿轮啮合时，产生很大的弯曲应力，由于曲率半径及根部形状因素等使得该处出现应力集中现象，同时这又会引起齿面的剪应力增大，齿面的相对滑动又使滑动前方受压后方受拉。除润滑不良、三体（磨粒）磨损、化学腐蚀外，一般地说，若轮齿承受的交变应力超过了材料的疲劳极限或强度极限应力，这样将会使得齿轮出现以上所介绍的失效形式，以下将分析造成这些失效形式的原因，其中主要表现在以下几个方面。

（1）设计方面

在煤矿机械设备的使用过程中，设备的实际工况和使用情况与齿轮的设计参数和技术要求结合不够紧密，针对性不够强，缺乏专项切实的科研和实验。有些标准、规范和测试方法、计算方法不统一、不先进。有些齿轮的材质设计选择不当，性能不好。表1所列对齿轮断齿、点蚀和剥落有影响的因素，可供齿轮优化设计时综合考虑。

（2）制造加工方面

制造加工方面存在缺陷，齿轮制造质量达不到标准和技术要求，甚至产品质量低劣。热处理质量不过关，淬火处理齿面硬度不均，产生淬火裂纹，积存较大内应力。加工精度不高，中、大模数齿轮加工常出现齿圈的径向跳动和齿形超差，齿面粗糙度不合格，这些都影响着齿轮的接触精度。直接影响着齿轮的承载能力和寿命。

（3）安装使用方面

在煤矿企业当中，普遍存在着一些问题，比如，安装技术规范不健全，在安装过程中基本上靠着工人的工作经验进行施工，同时测量仪器不完备，达不到齿轮安装技术要求和质量标准。甚至有的出现违章操作，使得机械设备处于超负荷运转状态，这样极大的损害了齿轮的使用寿命。

4、结语

综上所述，我国煤矿机械设备事故率高居不下，一直是困扰着煤矿生产安全，极大的阻碍了煤矿企业的发展，这是一个亟待解决的安全问题，传动齿轮作为机械设备中必不可少的一部分，它的设计水平、制造质量和使用管理水平直接关系着煤矿机械设备的可靠性和安全性，同时也影响到设备的使用年限。通过以上对煤矿机械中各种齿轮的失效形式及原因的分析，不仅能够使得煤矿机械设备的功能发挥到极致，同时还能够对设备本身存在的一些缺点做了很好的补充，这样可以使得机械设备的使用寿命大幅度提高，对煤矿企业实现安全高效生产提供了有力保障。

参考文献：

[1]张潇云，周新建.煤矿机械传动齿轮失效形式分析[J].润滑与密封，2003（6）；

[2]张佐清.礦山机械设备维修与安装[M].北京：煤炭工业出版社，1976；

[3]褚中庭.国外采掘机械齿轮用钢及其热处理[J].煤矿机电，1987（3）：70-72；

[4]倪大为.弹性流体动力润滑对齿轮疲劳点蚀的影响[J].煤矿机电，1985（3）：21-24；

[5]孙庆超.煤矿机械的润滑[M].北京：煤炭工业出版社，1976；

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

作者简介：

巢丽娜，内蒙古呼伦贝尔人，助理工程师，2002年毕业于湖北省工业设计学校，现供职于内蒙古易暖科技有限公司