机械传动齿轮失效的改进方法

黄燕 淮河能源股份有限公司，朱集东矿

一、设计

机械齿轮，特别是承受重载和冲击载荷的提升和采掘运输机械齿轮，其弯曲极限应力强度增大到1200 MPa，接触耐久性极限强度亦增大到1600 MPa，如何在不加大外形尺寸的条件下提高其强度和寿命，需进一步进行科研技术攻关，优化设计参数。优化设计的内容包括载荷的准确计算、强度计算公式的修正、优化选材、优化齿形结构、先进的加工和处理工艺、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，提高标准化、系列化程度。笔者认为还可以采用以下几种比较先进的优化设计方法：

（1）按照GB3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力的计算方法》和有关行业标准，采用CAD进行齿轮强度计算和齿轮结构方案的类比，选出最优的设计方案。

（2）利用保角映射和有限元法等方法分析齿根弯曲应力，采用较大半径的齿根过渡圆角并采用凸头留磨滚刀加工外齿轮齿形，以此降低齿根弯曲应力集中，提高弯曲强度。

（3）根据弹性力学知识分析轮齿的啮合形变，采用齿顶修缘，修缘线是采用较大压力角的渐开线；采用齿面喷丸处理等工艺来提高轮齿的接触和弯曲疲劳强度。

（4）根据弹流润滑理论研究齿轮润滑状态后，采用极压添加剂的高粘度齿轮润滑油来改善齿轮的润滑状态。

二、选材

齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和工艺性能要求，综合考虑。结合我国实际，宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载荷的齿轮，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材（含Ni量2%～4%）；对于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮，亦可选用无Ni的Ni-Mn钢。这些渗碳合金钢的含碳量较低，平均为0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加钢的淬透性（含Mn量以0.4%～0.6%为宜），Cr能增加钢的淬透性和耐磨性，Ni对提高钢的韧性特别有效。应研制、采用新型淬透性好的渗碳齿轮钢（国外称为“H”钢系列），它具有较窄范围的淬透性带，可保证齿轮变形范围小并达到要求的芯部硬度。应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢（R—H脱气钢）和电渣重熔合金钢，这种钢材的纯度高，具有较好的致密度，含氧、氮和非金属杂质极少，塑性和韧性好，减少了机械性能和各向异性。用这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相比，其接触和弯曲疲劳寿命可提高3～5倍，齿轮极限载荷可提高15%～20%。

三、加工工艺

机加工滚齿时，粗、精滚工序要分开，先用滚刀进行粗切，再用专用滚刀进行精滚齿，保持滚刀精度，用百分表控制切齿深度，切齿深度误差应控制在零位附近，精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.03 mm。齿形加工一般要达到9级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求，可在磨齿后，进行电抛光或振动抛光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齿轮的寿命比粗糙度差的可提高15%～20%。

采用齿面修形、齿形修缘和挖根大圆弧（大圆弧齿根）新技术（包括倒角、磨光、修圆），能消除或减轻啮合干涉和偏载，提高齿轮的承载能力，使齿根应力集中降低，齿轮的弹性柔度增大。对齿形进行修饰（磨齿、剃齿、研齿），齿轮的接触极限应力可提高15%～25%。对齿作纵向修形（修齿腹），齿轮的寿命可提高2倍，弯曲应力可减少17%～23%，并可降低噪声。当切齿刀具的硬度大于工件硬度的2～5倍以上，并有较好的韧性和耐磨性时，切削效果较好。硬齿面齿轮常采用磨削法和刮削法加工，齿胚经多次热处理和切削加工。

四、热处理

煤矿机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切强度的比值，它不能大于0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在0.8%～1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到HRC58～62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺，氮的渗入深度一般控制在0.2 mm以内，它不但能硬化表层，还能产生压应力，可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。

五、表面强化处理

对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。它能使齿轮的接触疲劳强度提高30%～50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善；能有效阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多；能有效抵抗破坏性冲击，减少点蚀，增大耐久极限；有利于齿轮润滑的改善；可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（产生残余应力和淬火压应力的释放）。根据国外经验，齿轮喷丸比不喷丸寿命可提高6倍。

六、正确安装运行

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。新齿轮在投运前，应进行充分的跑合。制订运行操作规程，认真执行，严禁违章作业，超负荷运转。

按照制造厂的减速器使用说明书和维护检修规程、标准，进行科学维护管理。定期监测齿轮磨损状况，化验润滑油，开展故障诊断，发现问题及时处理。定期清洗减速箱和齿轮，更换油脂，保持油量，防止煤粉、水份、异物混入减速器内。改进减速器密封，防止漏油。

七、润滑

润滑对于齿轮的磨损失效有着重要的影响，应当引起足够的重视。煤矿机械传动齿轮的特征是：多采用低速重载齿轮，接触应力通常很高，因此轮齿接触表面材质的局部弹性变形不容忽视；同时齿轮在共轭啮合过程中，除切点部位以外，均为滚、滑运行。这一特征完全符合弹性流体动力润滑（EHL）理论。它与传统的Martin润滑理论的基本区别在于：上述齿轮表面的局部弹性变形量往往比按刚性边界计算的油膜厚度大许多倍，因此对油膜的形状和压力分布带来明显的影响。我们应当按照这个理论和规律进行齿轮润滑参数设计。要根据不同的齿轮，合理选用润滑油种类。对于传递负荷较轻的（齿面应力小于4000 kg/cm2）齿轮，宜选用纯矿物油，如机械油、一般齿轮油、汽缸油等；对于传递中等负荷（齿面应力4000～6000 kg/cm2）的齿轮，宜选用工业齿轮油；对于传递重负荷、多冲击和周围环境多污染的齿轮（如煤矿采掘机械齿轮），宜选用极压齿轮油。润滑油粘度选择的主要依据是齿轮的切线速度。可根据产品使用说明书推荐的粘度范围选择。当环境温度高于25℃，或齿轮经常承受冲击负荷，或齿轮是整体淬硬材料时，宜选用较高粘度值；当环境温度低于10℃时，宜选用较低粘度值。