煤矿机械传动齿轮失效形式及对措

2011-01-17蔚海文

山西焦煤科技 2011年4期

蔚海文

(西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，四川成都 610500)

齿轮失效在煤矿机械设备中较为常见，本文阐述了齿轮传动不同的失效形式，并提出了应对措施，对探讨如何提高煤矿机械传动齿轮质量，延长煤矿机械设备的使用寿命，具有重要的参考价值。

煤矿机械;齿轮传动;失效形式;应对措施

近20多年来，随着煤矿现代化、机械化水平的不断提高，煤矿机械设备的功率日益增大。比如采煤机、掘进机的功率增大了3～6倍，大型矿井中提升机功率已达几千kW。功率的增大造成机械的输出扭矩增大，这样就使煤矿机械的零部件，特别是传动齿轮的受力增大。通常煤矿机械的传动齿轮为中、大模数(模数6～20 mm)，低速(6 m/s以下)重载。但是受煤矿使用条件和机器尺寸的限制，传动齿轮在外形尺寸上并没有太大变化，致使煤矿机械故障率一直持续较高，其中传动齿轮的失效是造成煤矿机械设备无法正常运行的主要原因，齿轮失效直接影响着煤矿机械效能的发挥。

虽然我国齿轮的制造质量在逐渐改善，但是从煤矿机械的现场运转状况来看，往往存在着使用寿命不够长、可靠性较低等问题，与世界工业发达国家相比，尚有一定的差距。本文列举了煤矿机械设备运行中传动齿轮的失效形式，并探讨了应对措施，对提高机械设备的可靠性、使用寿命和降低煤矿机械磨损造成的损失，具有重大意义。

1 煤矿机械齿轮失效形式

一般地说，煤矿机械齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又是多种多样的，最常见的有以下几种失效形式：

1)磨损。煤矿机械工作环境恶劣、工况条件苛刻、运行时间长和润滑条件差，工作对象为不同地质条件的煤岩体。因此，煤矿机械齿轮传动的磨损失效现象极其严重。齿面磨料性磨损示意图见图1。

图1 齿面磨料性磨损示意图

2)齿面点蚀。在煤矿机械中，齿面点蚀是齿轮失效的主要形式。轮齿工作时，两齿面在接触处会产生循环的接触应力，当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，齿面在经过一段时间后就会产生细小的疲劳裂纹，这样的疲劳裂纹首先产生于节线附近的齿根表面上，随着裂纹逐渐扩展，齿面金属表层将产生片状剥落而形成麻坑，这种现象称为点蚀，齿面点蚀示意图见图2。当点蚀出现以后，齿面承载面迅速减小，接触应力急剧增大，加剧了齿面的疲劳损坏，最后将导致齿面无法正常工作。

图2 齿面点蚀示意图

3)胶合。煤矿机械设备运行中，有时在超负荷作用下轮齿接触面的油膜会被挤破，使两轮齿的金属面直接接触并熔焊在一起，而此时两齿面处于相对滑动，相粘结的部位即被撕破，这样就会在齿面上沿相对滑动方向形成伤痕，称为胶合。在低速重载下，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效，齿面胶合示意图见图3。

图3 齿面胶合示意图

4)塑性变形。当齿轮材料较软而载荷又很大时，又由于轮齿啮合不合理就会导致轮齿较软齿部分金属的塑性变形，从而破坏正确齿形。塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上;但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。轮齿塑性变形示意图见图4。

图4 轮齿塑性变形示意图

5)轮齿折断。在正常工况条件下，齿根弯曲疲劳折断，是轮齿折断的主要形式。当轮齿重复受载时，齿根处往往会形成疲劳裂纹，并逐步扩展，最终致使轮齿折断。此外，轮齿受力后通常最大弯曲应力发生于齿根处，同时齿根又有较大的应力集中，就会在齿根部分发生弯曲折断。轮齿的折断形式见图5。

图5 轮齿疲劳折断示意图

2 应对措施

煤矿设备中齿轮传动的失效直接影响着机械效能的发挥，是需要亟待解决的重要问题，下面提出几种应对措施。

1)设计方面。在承受重载和冲击载荷的工矿条件下，煤矿机械齿轮的接触耐久性极限强度增大到1 600 MPa，弯曲极限应力强度增大到1 200 MPa，在不增大煤矿机械齿轮外形尺寸的条件下提高其强度和寿命，有待于进一步研究和试验，优化齿轮设计参数。通常，优化设计的内容包括强度计算公式的修正、载荷的准确计算、合理选择齿轮材料、优化齿形的加工和处理工艺，并提高表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数和装配要求等。

2)选材方面。结合我国煤矿机械齿轮传动的实际情况和参考工业发达国家齿轮选用钢材方面的经验，优先选用低碳合金渗碳钢。一般承受重载和冲击载荷的煤矿机械齿轮，宜选择Ni－Cr－Mo和Ni－Cr合金渗碳钢为主的钢材;而对于功率较小的煤矿机械传动齿轮，可以选用无Ni的Ni－Mn钢。这些渗碳合金钢的含碳量较低，Mn、Mo都可以增加钢的淬透性，Ni可以有效提高钢的韧性，Cr可以增加钢的淬透性和耐磨性。此外，应尽量选用电渣重熔合金钢和冶金质量好的真空脱气精炼钢，这种钢材通常具有较好的致密度，含氧、氮和非金属杂质很少，通常具有很好的塑性和韧性，这种钢材所制造的齿轮和普通电炉钢制造的齿轮相比较，煤矿机械齿轮的极限载荷可提高15%～20%，接触和弯曲疲劳寿命可提高3～5倍。另外，齿轮应尽量多用锻钢，少用铸钢，如果必须用铸钢的大齿轮，可以选择铸钢轮芯镶锻钢齿圈组合件(锻钢一般选择大于3的锻造比)。综上所述，要根据强度、韧性和工艺性能要求，结合各方面因素合理选择齿轮材料。

3)加工工艺和热处理方面。提高齿轮的表面粗糙度和加工精度通常是减少磨损的重要方法。如果齿轮的形位偏差小，表面粗糙度适中则利于减少磨损。在加工齿轮时从原材料开始就严格质量要求，对每道工序按照设计标准规范操作，确保加工精度。由于所加工零件本身的精度、刀具以及整个工艺系统的精度和加工过程中的调整等因素都会影响加工精度，通常情况下采用磨研、磨削、抛光等工艺手段可以降低齿轮齿面的粗糙度，而在精滚和硬化处理后可以不经过磨齿，直接在工作状态下进行研磨。一般各种渗入工艺可以增加齿轮的硬度，为了增加表面硬度，可以采用表面渗碳淬火的热处理工艺，这样就会使齿面得到较高的硬度，而齿芯部分硬度较低，使之保持较好的韧性，来适应工矿性能的要求。在经过渗碳淬火或磨齿后，最常见的是对齿轮进行喷丸强化处理，任意尺寸的齿轮都可以通过喷丸强化来增强齿轮齿根的抗弯曲疲劳性能，使齿轮表层产生残余压应力，这样会提高齿轮的疲劳寿命。

4)表面强化处理方面。通常，喷丸强化处理可以使齿根弯曲疲劳强度得到改善，并能提高齿轮的接触疲劳强度30%～50%。能够很好地抵抗破坏性冲击，增大耐久极限，有效减少点蚀;可以有效阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小很多;可有效消除各种切齿加工在齿面留下的连续刀痕以及磨削产生的缺陷。

5)正确安装运行方面。试验证明，减速器齿轮副的安装精度的高低，对煤矿机械传动齿轮的承载能力和使用寿命影响很大。不管新安装、更换或检修安装，均应该按照安装技术标准进行，其是齿轮轴心线的平行度、水平度、齿轮侧隙、顶隙、轴承间隙、接触区域或轴向窜动量等技术标准，必须满足技术要求。在使用新齿轮前，要对其进行充分的磨合。

6)润滑、散热、密封方面。润滑对煤矿机械齿轮传动有着十分重要的影响，良好的润滑可以有效地提高其设备的使用寿命，因此，应当得到足够的关注。一般地，煤矿机械传动齿轮具有低速重载等特点，所以不可忽视轮齿接触表面材质的局部弹性形变。通常要根据齿轮在各种工作环境条件进行润滑油种类的选取，特别要合理选择齿轮润滑油的黏度值，假如齿轮润滑油的黏度过小，就很难在齿面形成保护油膜，从而增大了齿面间的摩擦力，就会严重影响齿轮传动的使用寿命。据统计，煤矿设备大约85%的磨损失效是因液压系统和润滑系统中的油液受到严重污染所造成，因此，要有效地保持润滑油油质的清洁，定期对润滑油进行过滤清洁。对于封闭式齿轮传动，要对齿轮箱进行冷却和通风工作以保证其散热的有效性。煤矿机械工作环境通常较恶劣，粉尘及酸性水污染对齿轮的腐蚀较严重，因此，还需要对煤矿机械设备进行防漏油工作。