摘　要：列舉了（le）在煤（méi）礦機械設備運行中，機械傳動齒輪失（shī）效（xiào）的形式，分（fèn）析了造成傳動齒輪失效的原因。提出了（le）改進途徑，對探討如何提高（gāo）煤礦機械（xiè）傳（chuán）動（dòng）齒輪質量，延長煤礦機械設備的使用壽命，具有非常（cháng）重要的參考價（jià）值。
　　關鍵詞：煤礦機械；齒輪失效；原因；改進
　　隨著煤礦機械化、現代化水平的提高，煤礦機械（xiè）的功率日（rì）趨增大（dà）。大型、特大型礦井（jǐng）提升機（jī）功率達幾千千瓦，近（jìn）20年來，采煤機的功率增加了4～6倍，掘進機的功率增加了2～3倍。功率的增大導致機械的（de）輸出扭（niǔ）矩增（zēng）大（dà），使煤礦機械（xiè）的原（yuán）部件特別是傳動齒輪（lún）的受力增（zēng）大，由於受煤礦（kuàng）使用條件和機器尺寸的限製，傳動齒輪的外（wài）形尺寸卻沒有多大變化。為了（le）提高煤礦機（jī）械的可靠性和使命壽命，對其傳（chuán）動齒輪必然要提出更高的（de）要求。
　　1　煤礦機械齒輪失效形式
　　煤（méi）礦（kuàng）機械齒輪失效有以下幾種形式：
　　1）磨損。包括正常磨（mó）損（sǔn）、中（zhōng）度磨損、破損性磨損、磨料性磨損（sǔn）（擦傷）、幹涉磨損、腐蝕性磨損、膠合、疲勞磨（mó）損（sǔn）（點蝕）燒傷等。
　　2）表麵（miàn）疲勞。由於輪（lún）齒表（biǎo）麵或表麵下存在著材質初始裂紋（裂紋生核），以及交變應力反複作用而造成材料的疲勞，其應力超出了材料的疲勞極限，初始裂（liè）紋擴展。其特（tè）征是金屬的移動（dòng）和（hé）形成凹坑，並可使得坑合並或增大尺寸。
　　3）膠合。由於超負荷或使用潤滑油不當，常因齧合區溫度升高，在重（chóng）載作用下輪齒接（jiē）觸麵的油（yóu）膜被擠破，使兩輪齒的金屬麵直接接觸並熔（róng）焊在一起，引起軟齒部分接觸麵沿滑動（dòng）方向被撕下而（ér）起溝，在低速（sù）重載下（xià），由於齒麵（miàn）間的潤滑油膜不易（yì）形成也可能產（chǎn）生膠合破壞。
　　4）塑性流動。塑性流動包括塑性變形（xíng），起波紋和起皺等。
　　5）斷裂。主要有疲勞斷（duàn）裂、磨損（sǔn）斷裂、超負荷斷裂、淬裂磨削裂紋等。
　　2　齒輪失效原因分析
　　齒輪運（yùn）轉承載後，齒麵相互（hù）接觸並沿齒（chǐ）高（gāo）方向滾動和滑動，產生很大的接觸應力（lì）；同時齒輪齧合時，輪齒像懸臂一樣在（zài）根部承（chéng）受Z大彎矩，產生很大的彎（wān）曲應力，該處（chù）的曲率半徑及根部形狀因（yīn）素引起的應（yīng）力（lì）集中又（yòu）明顯地（dì）增加了這裏的Z大表（biǎo）麵應力值。這種很大的接觸應（yīng）力使齒麵表層內相應產生很大（dà）的剪應力，齒麵的相對滑動又使（shǐ）滑動前方受壓應力，後方受拉應力，齒麵又受著拉、壓交變應力的作用。除潤滑不良、三體（磨粒）磨損、化學腐蝕外，一（yī）般（bān）地說（shuō），若輪齒承受（shòu）的交變應力超過了材（cái）料的（de）疲勞極限（xiàn）或強度極限應力，就會造成上（shàng）述各種形式的磨損失效。造成（chéng）煤礦傳動機（jī）械齒輪失（shī）效的原因主要表現在如下幾下方（fāng）麵。
　　1）設計方麵。煤礦機械（xiè）齒（chǐ）輪的特點（diǎn）是：多為低速重載齒輪（lún），機（jī）械類型較多，井下使用環（huán）境和條件較差。齒輪設計（jì）工作尚不能完（wán）全（quán）滿（mǎn）足上述特點和煤（méi）礦機械化技術發（fā）展的需要。齒輪的設計參數的技術（shù）要求，與（yǔ）不同煤礦機械的實際（jì）工況和使用條（tiáo）件結合不夠（gòu）緊密，針對性不夠強，缺乏專項切實的科研和實驗。有些（xiē）標準、規範和測試方法、計算方法（fǎ）不統一、不先進。如對於齒輪接觸疲勞強度的（de）分析計算，仍慣於沿用（yòng）傳統的Hertz公式，即以交變應力作用下測定試樣的斷裂循環次數而製定的S-n曲線（反複（fù）應（yīng）力與全負荷下的循環次數關係曲線）作為疲勞設計（jì）依據，然而（ér）實際轉動齒輪由於各類工藝因素和工況因素（sù）的作用，必定與試樣的表麵（miàn）質量存在著根本的差異（yì）。
　　2）製造加工方麵。製（zhì）造加工方麵存在缺陷，齒輪製造質量達不到標準和技術要求，甚至產品質量低（dī）劣。鑄造大齒輪存（cún）在化學成分偏析、非金屬夾雜物、氣孔、砂（shā）眼等缺陷。鍛造齒輪忽視鍛造比要求，使材質性能下降。熱處理質量不過關，調質處理（lǐ）的（de）齒麵硬度達不到設（shè）計技術（shù）要求，有的硬（yìng）度僅為HB170-200左右；淬火處理齒麵硬度不均，淬硬層（céng）淺，產生淬火裂紋，積（jī）存較大內應力。采掘機械齒輪的滲碳層普遍偏淺，硬度梯度偏陡。加工精度不（bú）高，中、大模（mó）數齒輪加工常出現齒（chǐ）圈的徑（jìng）向跳動和齒形超差，齒麵粗糙度不合格，這些（xiē）都影（yǐng）響著齒輪（lún）的接觸精（jīng）度。直接影響著齒輪的承（chéng）載（zǎi）能力和壽命。

3）安裝使用方麵。許多煤礦現場安裝技術規範不健全，基本上靠經驗施工，測量儀（yí）器不完備，造（zào）成（chéng）安裝質量不穩（wěn）定（dìng），達不到齒輪（lún）安裝技術要求和質量標準。例如齒輪軸（zhóu）中心線的水平度、平行度、中心距、輪齒齧合間隙、接（jiē）觸麵積以及軸承安裝（zhuāng）等不合格。新裝齒輪跑合不充分（fèn），往往由於時間（jiān）緊，跑合流於形式，隻要運轉聲音（yīn）基本（běn）正常就投入使（shǐ）用。達不到跑合的目的和要求，不能定期清洗減速箱和齒輪，更（gèng）換油脂（zhī），選用的潤滑油脂不符合技術要求，或者漏油、缺油，采掘機械減速器內常有煤粉、水分、雜物混（hún）入（rù）。有的違章操作，機（jī）械超負荷運（yùn）轉，超過齒輪的承載能（néng）力。
　　3　改進途徑

齒輪失效直接影（yǐng）響著煤礦（kuàng）機械的效能的發揮（huī），是一個丞待解決的重要問題，下麵提出幾種改（gǎi）進途徑。
　　1）設計方麵（miàn）。煤礦機械齒輪在不加大外形尺寸的條件下，如何（hé）提高其強（qiáng）度和壽命是急待解決的問題，特別是（shì）承受重載和衝擊載荷的提升的采掘運輸機械齒輪（lún），其彎曲極限應力強（qiáng）度增大到（dào）1200MPa，接觸耐久性極限強度亦增大到1600MPa，需進一步（bù）進行科研（yán）技術攻關，優化設（shè）計參數。優化設計的內容（róng）包括載荷的準確計算、強度計算公式的（de）修正、優化選材（cái）、優化齒形結構、先進的加工和處理工藝、並提高表麵光潔度、合理的硬（yìng）度和齧合參數、有（yǒu）效的潤滑參（cān）數、裝配要求等，並提高標準化、係列化程度。
　　2）選擇材料（liào）方麵。齒輪材料的選擇，要根據強度、韌性和工（gōng）藝性能要求，綜合考慮。參考工業發達國家煤礦機械齒輪選用鋼材的經驗，結合我國實際（jì），宜選用低碳合金滲碳鋼。對於承受重載和衝擊載的齒輪，采用含Ni的以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼（gāng）為主的鋼材（含Ni量2%～4%）；對於負載比（bǐ）較穩定或功（gōng）率較小、模數較小的齒輪，亦可選用（yòng）無Ni-Mn鋼。這些滲碳合金鋼的（de）合金鋼的禽碳量較低，平均為0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加鋼的淬（cuì）透性（含Mn量以0.4%～0.6%為宜（yí）），Cr能增加鋼的淬（cuì）透性和耐（nài）磨性，Ni對提高鋼的韌性特別有效。應研製、采用新型淬透性（xìng）好的滲碳（tàn）齒輪鋼（國外稱為“H”係列），它具有較窄範圍的淬透性帶，可保證齒輪變形範圍（wéi）小並達（dá）到要求的芯部硬度。應盡（jìn）量選用冶金質量好的真空脫氣精煉鋼（R-H脫氣鋼）和電渣重熔（róng）合金鋼，這種鋼材的純度高，具有較好的致密度，含氧、氮和非金屬等雜質極少，塑性和韌性高，減少了機械性能和各向異性。用這種鋼材製造的齒輪，比普通電爐鋼製造的齒（chǐ）輪，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3～5倍，齒輪極限荷可（kě）提高15%～20%。

3）加工（gōng）工藝方麵。機加工滾齒時，粗、精滾工序要分開，先用滾刀進行粗切，再用專用滾刀進行精滾齒，保持滾刀精度（dù），用百分表控製切齒深度，切齒深度誤（wù）差應控製在（zài）零位附近，精滾齒滾刀的齒形誤差應不（bú）大於0.03mm。齒形加工一（yī）般要達（dá）到9級精度。齒麵粗糙度必須達（dá）到設計要求，可磨齒後，進行電（diàn）拋光或（huò）振動拋光，提（tí）高表麵粗糙度，粗糙度（dù）好的比粗糙度差的齒輪壽命可提高15%～20%。

4）熱處理方麵。煤礦機械齒輪（lún）的承載能（néng）力不（bú）僅取決（jué）於（yú）表麵硬度，還（hái）取決於表層向芯部過渡區的剪切（qiē）強度的比值，它不能大於0.55。深層滲碳淬（cuì）火是這種齒輪硬化處理Z理想的方法，它可以得到高的（de）芯部硬度，較小的（de）過渡區殘餘拉應力和充足的硬化層深（shēn）度。齒（chǐ）麵含（hán）碳（tàn）量一般控製在0.8%～1%為宜，由齒表麵到芯部的硬度梯度要緩（huǎn）和（hé）。滲碳齒輪經過（guò）淬火和回火，表麵硬度應達到HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘餘內應力。推廣碳（tàn）、氮共滲新工藝，氮的滲人深度一般控製在0.2mm以內（nèi），它不但（dàn）能硬化表（biǎo）層（céng），還能產生壓應力。它可比單純滲碳齒輪（lún）的強（qiáng）度極限應力提高13%以上，壽命可（kě）提高（gāo）1倍。熱處理後，尚需進行油浴人工時（shí）效處理（lǐ）。

5）表麵強化處（chù）理。對齒麵和齒根進行噴丸（wán）強化處理（lǐ），通常（cháng）是齒輪加工的Z後一道（dào）工序，可在滲碳淬（cuì）火或磨齒後進行。嚴格按照（zhào）設計的（de）噴丸工藝要求操作。微（wēi）小球形彈丸撞擊齒輪表麵，便（biàn）會產生很（hěn）大的殘餘壓應力的（de）薄層，集中（zhōng）在齒麵的次表麵，它能使齒輪的接觸疲勞強度提高30%～50%，使齒根彎曲疲勞強度得到改善能有效（xiào）地阻（zǔ）止裂（liè）紋擴展，使實際載荷比外加（jiā）載荷小得多。能有效地抗破壞性衝擊；減（jiǎn）少點蝕，增大耐久極限；有利於齒（chǐ）輪潤滑的改善；可消除各種切齒（chǐ）加工時在（zài）齒麵留下的連續刀痕以及磨削產生的缺陷（產生殘餘應力和淬火壓力的釋放）。根據（jù）國（guó）外經驗。齒輪噴丸比不噴可提高壽命6倍。

6）正確安裝（zhuāng）運行方麵。實踐表明，減速器齒輪副的安裝精度，對齒輪的承載（zǎi）能力，磨（mó）損和（hé）使用壽命影響很（hěn）大。無論是新安裝、更換或（huò）檢修安裝，都應按照安裝（zhuāng）技術規範和標準進行，特別是齒輪軸心線的水平度、平行度（dù）、中心距、軸（zhóu）承間隙、齒輪側隙、頂隙（xì）、接觸區域或（huò）軸向竄動量等，必須達到質量標準和技術要求。新齒輪在投運前，應進行充分的（de）跑合。製訂運行操作規程認真執行，嚴禁違章作業，超負荷運轉。

7）潤滑方麵。潤滑對於齒輪的磨損失效有著重要的影響，應當引起足夠的重視。煤礦機械傳（chuán）動齒輪的特（tè）征是：多（duō）采用（yòng）低速重載齒輪，接觸應力通常很（hěn）高，因（yīn）此（cǐ）輪齒接觸表麵材質的局部彈性形變不容忽視；同時齒輪在共軛齧合過程中，除（chú）切點部位以外，均（jun1）為滾、滑行運行。這一特征完（wán）全符合彈性流體動力（lì）潤滑（Elasto-Hydro-dynamic Lubrication）理論，簡稱（chēng）EHL理論。它與傳（chuán）統的Martin潤滑理論的基本區別在於：上述齒輪表麵的局部彈性形變量往往（wǎng）比按剛性（xìng）邊界計（jì）算的油膜厚度大許多倍（bèi），因此對油膜的形狀和壓力分布帶來明顯的影響。我們應當按照這個理論和規（guī）律（lǜ）進行齒輪（lún）潤滑參數設計。籠統（tǒng）的（de）認為“潤（rùn）滑（huá）對提高齒麵強度是有利的（de）”觀點並不全麵。應該根根據各類潤滑工況對齒麵強度的影響（xiǎng）進行具體分（fèn）析，才能取得潤滑質（zhì）量的改善。

4　結（jié）語

我國煤礦機（jī）械設（shè）備事故率多的現狀一直困擾著煤炭生產和運輸，是一個亟待解決的重要問（wèn）題，其中（zhōng）機（jī）械（xiè）齒（chǐ）輪的失效是造成煤礦機（jī）械設備不能正常運行的主要（yào）原因。因此，對（duì）各種齒輪的失效形（xíng）式及原因（yīn）的分析和討論，對改進煤礦（kuàng）機械設備事故率多的現狀有非常重要的現實意義。
 

來源：《江西煤炭科技》2010年第3期