煤矿机械传动齿轮失效技术研究

文/毛新海，淮南矿业集团选煤分公司

煤矿机械齿轮的失效有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀和齿面塑性变形等主要形式。由于轮齿啮合不合理，造成超负荷或冲击负荷而产生轮齿较软齿部分金属的塑性变形，严重时在齿顶的边棱或端部出现飞边、齿顶变圆，主动齿轮的齿面上有凹陷，被动齿轮的节线附近升起一脊形，使齿面失去正确的齿形。

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，工况苛刻，加上停机时间短，这样直接使得机械的润滑条件差，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。

1 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：

1.1 表面疲劳

由于轮齿表面或表面下存在着裂纹生核，以及交变应力反复作用而造成材料的疲劳，其应力超出了材料的疲劳极限，初始裂纹扩展。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。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。

1.2 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。

第四，疲劳磨损（点蚀）：在齿轮的高副接触中，材料表层受到很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑，有着钝和粗糙的外观。

2 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。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 安装使用方面

许多煤矿现场安装技术规范不健全，基本上靠经验施工，测量仪器不完备，造成安装质量不稳定，达不到齿轮安装技术要求和质量标准。新装齿轮跑合不充分，达不到跑合的目的和要求。有的违章操作，机械超负荷运转，超过齿轮的承载能力。

实践表明，减速器齿轮副的安装精度，对齿轮的承载能力、磨损和使用寿命有很大影响。无论是新安装、更换或检修安装，都应做到严格、精细，按照安装技术规范和标准进行，特别是齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等，必须达到质量标准和技术要求。

3 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。