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摘　要：列舉了在煤礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中，機(jī)械傳動齒輪失效的形式，分析了造成傳動齒輪失效的原因。提出了改進(jìn)途徑，對探討如何提高煤礦機(jī)械傳動齒輪質(zhì)量，延長煤礦機(jī)械設(shè)備的使用壽命，具有非常重要的參考價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：煤礦機(jī)械；齒輪失效；原因；改進(jìn)
　　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。大型、特大型礦井提升機(jī)功率達(dá)幾千千瓦，近20年來，采煤機(jī)的功率增加了4～6倍，掘進(jìn)機(jī)的功率增加了2～3倍。功率的增大導(dǎo)致機(jī)械的輸出扭矩增大，使煤礦機(jī)械的原部件特別是傳動齒輪的受力增大，由于受煤礦使用條件和機(jī)器尺寸的限制，傳動齒輪的外形尺寸卻沒有多大變化。為了提高煤礦機(jī)械的可靠性和使命壽命，對其傳動齒輪必然要提出更高的要求。
　　1　煤礦機(jī)械齒輪失效形式
　　煤礦機(jī)械齒輪失效有以下幾種形式：
　　1）磨損。包括正常磨損、中度磨損、破損性磨損、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。
　　2）表面疲勞。由于輪齒表面或表面下存在著材質(zhì)初始裂紋（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，并可使得坑合并或增大尺寸。
　　3）膠合。由于超負(fù)荷或使用潤滑油不當(dāng)，常因嚙合區(qū)溫度升高，在重載作用下輪齒接觸面的油膜被擠破，使兩輪齒的金屬面直接接觸并熔焊在一起，引起軟齒部分接觸面沿滑動方向被撕下而起溝，在低速重載下，由于齒面間的潤滑油膜不易形成也可能產(chǎn)生膠合破壞。
　　4）塑性流動。塑性流動包括塑性變形，起波紋和起皺等。
　　5）斷裂。主要有疲勞斷裂、磨損斷裂、超負(fù)荷斷裂、淬裂磨削裂紋等。
　　2　齒輪失效原因分析
　　齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)承載后，齒面相互接觸并沿齒高方向滾動和滑動，產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力；同時齒輪嚙合時，輪齒像懸臂一樣在根部承受Z大彎矩，產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，該處的曲率半徑及根部形狀因素引起的應(yīng)力集中又明顯地增加了這里的Z大表面應(yīng)力值。這種很大的接觸應(yīng)力使齒面表層內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力，齒面的相對滑動又使滑動前方受壓應(yīng)力，后方受拉應(yīng)力，齒面又受著拉、壓交變應(yīng)力的作用。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，就會造成上述各種形式的磨損失效。造成煤礦傳動機(jī)械齒輪失效的原因主要表現(xiàn)在如下幾下方面。
　　1）設(shè)計(jì)方面。煤礦機(jī)械齒輪的特點(diǎn)是：多為低速重載齒輪，機(jī)械類型較多，井下使用環(huán)境和條件較差。齒輪設(shè)計(jì)工作尚不能完全滿足上述特點(diǎn)和煤礦機(jī)械化技術(shù)發(fā)展的需要。齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)的技術(shù)要求，與不同煤礦機(jī)械的實(shí)際工況和使用條件結(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(jì)算方法不統(tǒng)一、不先進(jìn)。如對于齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的分析計(jì)算，仍慣于沿用傳統(tǒng)的Hertz公式，即以交變應(yīng)力作用下測定試樣的斷裂循環(huán)次數(shù)而制定的S-n曲線（反復(fù)應(yīng)力與全負(fù)荷下的循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線）作為疲勞設(shè)計(jì)依據(jù)，然而實(shí)際轉(zhuǎn)動齒輪由于各類工藝因素和工況因素的作用，必定與試樣的表面質(zhì)量存在著根本的差異。
　　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。鑄造大齒輪存在化學(xué)成分偏析、非金屬夾雜物、氣孔、砂眼等缺陷。鍛造齒輪忽視鍛造比要求，使材質(zhì)性能下降。熱處理質(zhì)量不過關(guān)，調(diào)質(zhì)處理的齒面硬度達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，有的硬度僅為HB170-200左右；淬火處理齒面硬度不均，淬硬層淺，產(chǎn)生淬火裂紋，積存較大內(nèi)應(yīng)力。采掘機(jī)械齒輪的滲碳層普遍偏淺，硬度梯度偏陡。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。

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)。例如齒輪軸中心線的水平度、平行度、中心距、輪齒嚙合間隙、接觸面積以及軸承安裝等不合格。新裝齒輪跑合不充分，往往由于時間緊，跑合流于形式，只要運(yùn)轉(zhuǎn)聲音基本正常就投入使用。達(dá)不到跑合的目的和要求，不能定期清洗減速箱和齒輪，更換油脂，選用的潤滑油脂不符合技術(shù)要求，或者漏油、缺油，采掘機(jī)械減速器內(nèi)常有煤粉、水分、雜物混入。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。
　　3　改進(jìn)途徑

齒輪失效直接影響著煤礦機(jī)械的效能的發(fā)揮，是一個丞待解決的重要問題，下面提出幾種改進(jìn)途徑。
　　1）設(shè)計(jì)方面。煤礦機(jī)械齒輪在不加大外形尺寸的條件下，如何提高其強(qiáng)度和壽命是急待解決的問題，特別是承受重載和沖擊載荷的提升的采掘運(yùn)輸機(jī)械齒輪，其彎曲極限應(yīng)力強(qiáng)度增大到1200MPa，接觸耐久性極限強(qiáng)度亦增大到1600MPa，需進(jìn)一步進(jìn)行科研技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括載荷的準(zhǔn)確計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算公式的修正、優(yōu)化選材、優(yōu)化齒形結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的加工和處理工藝、并提高表面光潔度、合理的硬度和嚙合參數(shù)、有效的潤滑參數(shù)、裝配要求等，并提高標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度。
　　2）選擇材料方面。齒輪材料的選擇，要根據(jù)強(qiáng)度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。參考工業(yè)發(fā)達(dá)國家煤礦機(jī)械齒輪選用鋼材的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國實(shí)際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對于承受重載和沖擊載的齒輪，采用含Ni的以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材（含Ni量2%～4%）；對于負(fù)載比較穩(wěn)定或功率較小、模數(shù)較小的齒輪，亦可選用無Ni-Mn鋼。這些滲碳合金鋼的合金鋼的禽碳量較低，平均為0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加鋼的淬透性（含Mn量以0.4%～0.6%為宜），Cr能增加鋼的淬透性和耐磨性，Ni對提高鋼的韌性特別有效。應(yīng)研制、采用新型淬透性好的滲碳齒輪鋼（國外稱為“H”系列），它具有較窄范圍的淬透性帶，可保證齒輪變形范圍小并達(dá)到要求的芯部硬度。應(yīng)盡量選用冶金質(zhì)量好的真空脫氣精煉鋼（R-H脫氣鋼）和電渣重熔合金鋼，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(zhì)極少，塑性和韌性高，減少了機(jī)械性能和各向異性。用這種鋼材制造的齒輪，比普通電爐鋼制造的齒輪，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3～5倍，齒輪極限荷可提高15%～20%。

3）加工工藝方面。機(jī)加工滾齒時，粗、精滾工序要分開，先用滾刀進(jìn)行粗切，再用專用滾刀進(jìn)行精滾齒，保持滾刀精度，用百分表控制切齒深度，切齒深度誤差應(yīng)控制在零位附近，精滾齒滾刀的齒形誤差應(yīng)不大于0.03mm。齒形加工一般要達(dá)到9級精度。齒面粗糙度必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可磨齒后，進(jìn)行電拋光或振動拋光，提高表面粗糙度，粗糙度好的比粗糙度差的齒輪壽命可提高15%～20%。

4）熱處理方面。煤礦機(jī)械齒輪的承載能力不僅取決于表面硬度，還取決于表層向芯部過渡區(qū)的剪切強(qiáng)度的比值，它不能大于0.55。深層滲碳淬火是這種齒輪硬化處理Z理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，較小的過渡區(qū)殘余拉應(yīng)力和充足的硬化層深度。齒面含碳量一般控制在0.8%～1%為宜，由齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。滲碳齒輪經(jīng)過淬火和回火，表面硬度應(yīng)達(dá)到HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘余內(nèi)應(yīng)力。推廣碳、氮共滲新工藝，氮的滲人深度一般控制在0.2mm以內(nèi)，它不但能硬化表層，還能產(chǎn)生壓應(yīng)力。它可比單純滲碳齒輪的強(qiáng)度極限應(yīng)力提高13%以上，壽命可提高1倍。熱處理后，尚需進(jìn)行油浴人工時效處理。

5）表面強(qiáng)化處理。對齒面和齒根進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，通常是齒輪加工的Z后一道工序，可在滲碳淬火或磨齒后進(jìn)行。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的噴丸工藝要求操作。微小球形彈丸撞擊齒輪表面，便會產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力的薄層，集中在齒面的次表面，它能使齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度提高30%～50%，使齒根彎曲疲勞強(qiáng)度得到改善能有效地阻止裂紋擴(kuò)展，使實(shí)際載荷比外加載荷小得多。能有效地抗破壞性沖擊；減少點(diǎn)蝕，增大耐久極限；有利于齒輪潤滑的改善；可消除各種切齒加工時在齒面留下的連續(xù)刀痕以及磨削產(chǎn)生的缺陷（產(chǎn)生殘余應(yīng)力和淬火壓力的釋放）。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)。齒輪噴丸比不噴可提高壽命6倍。

6）正確安裝運(yùn)行方面。實(shí)踐表明，減速器齒輪副的安裝精度，對齒輪的承載能力，磨損和使用壽命影響很大。無論是新安裝、更換或檢修安裝，都應(yīng)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。新齒輪在投運(yùn)前，應(yīng)進(jìn)行充分的跑合。制訂運(yùn)行操作規(guī)程認(rèn)真執(zhí)行，嚴(yán)禁違章作業(yè)，超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

7）潤滑方面。潤滑對于齒輪的磨損失效有著重要的影響，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。煤礦機(jī)械傳動齒輪的特征是：多采用低速重載齒輪，接觸應(yīng)力通常很高，因此輪齒接觸表面材質(zhì)的局部彈性形變不容忽視；同時齒輪在共軛嚙合過程中，除切點(diǎn)部位以外，均為滾、滑行運(yùn)行。這一特征完全符合彈性流體動力潤滑（Elasto-Hydro-dynamic Lubrication）理論，簡稱EHL理論。它與傳統(tǒng)的Martin潤滑理論的基本區(qū)別在于：上述齒輪表面的局部彈性形變量往往比按剛性邊界計(jì)算的油膜厚度大許多倍，因此對油膜的形狀和壓力分布帶來明顯的影響。我們應(yīng)當(dāng)按照這個理論和規(guī)律進(jìn)行齒輪潤滑參數(shù)設(shè)計(jì)?；\統(tǒng)的認(rèn)為“潤滑對提高齒面強(qiáng)度是有利的”觀點(diǎn)并不全面。應(yīng)該根根據(jù)各類潤滑工況對齒面強(qiáng)度的影響進(jìn)行具體分析，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(xiàn)狀一直困擾著煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸，是一個亟待解決的重要問題，其中機(jī)械齒輪的失效是造成煤礦機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)行的主要原因。因此，對各種齒輪的失效形式及原因的分析和討論，對改進(jìn)煤礦機(jī)械設(shè)備事故率多的現(xiàn)狀有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
 

來源：《江西煤炭科技》2010年第3期