蔚海文

(西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

齒輪失效在煤礦機(jī)械設(shè)備中較為常見，本文闡述了齒輪傳動不同的失效形式，并提出了應(yīng)對措施，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，具有重要的參考價值。

煤礦機(jī)械;齒輪傳動;失效形式;應(yīng)對措施

近20多年來，隨著煤礦現(xiàn)代化、機(jī)械化水平的不斷提高，煤礦機(jī)械設(shè)備的功率日益增大。比如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)的功率增大了3～6倍，大型礦井中提升機(jī)功率已達(dá)幾千kW。功率的增大造成機(jī)械的輸出扭矩增大，這樣就使煤礦機(jī)械的零部件，特別是傳動齒輪的受力增大。通常煤礦機(jī)械的傳動齒輪為中、大模數(shù)(模數(shù)6～20 mm)，低速(6 m/s以下)重載。但是受煤礦使用條件和機(jī)器尺寸的限制，傳動齒輪在外形尺寸上并沒有太大變化，致使煤礦機(jī)械故障率一直持續(xù)較高，其中傳動齒輪的失效是造成煤礦機(jī)械設(shè)備無法正常運(yùn)行的主要原因，齒輪失效直接影響著煤礦機(jī)械效能的發(fā)揮。

雖然我國齒輪的制造質(zhì)量在逐漸改善，但是從煤礦機(jī)械的現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)狀況來看，往往存在著使用壽命不夠長、可靠性較低等問題，與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，尚有一定的差距。本文列舉了煤礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中傳動齒輪的失效形式，并探討了應(yīng)對措施，對提高機(jī)械設(shè)備的可靠性、使用壽命和降低煤礦機(jī)械磨損造成的損失，具有重大意義。

1 煤礦機(jī)械齒輪失效形式

一般地說，煤礦機(jī)械齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效形式又是多種多樣的，最常見的有以下幾種失效形式：

1)磨損。煤礦機(jī)械工作環(huán)境惡劣、工況條件苛刻、運(yùn)行時間長和潤滑條件差，工作對象為不同地質(zhì)條件的煤巖體。因此，煤礦機(jī)械齒輪傳動的磨損失效現(xiàn)象極其嚴(yán)重。齒面磨料性磨損示意圖見圖1。

圖1 齒面磨料性磨損示意圖

2)齒面點(diǎn)蝕。在煤礦機(jī)械中，齒面點(diǎn)蝕是齒輪失效的主要形式。輪齒工作時，兩齒面在接觸處會產(chǎn)生循環(huán)的接觸應(yīng)力，當(dāng)齒面接觸應(yīng)力超過材料的接觸疲勞極限時，齒面在經(jīng)過一段時間后就會產(chǎn)生細(xì)小的疲勞裂紋，這樣的疲勞裂紋首先產(chǎn)生于節(jié)線附近的齒根表面上，隨著裂紋逐漸擴(kuò)展，齒面金屬表層將產(chǎn)生片狀剝落而形成麻坑，這種現(xiàn)象稱為點(diǎn)蝕，齒面點(diǎn)蝕示意圖見圖2。當(dāng)點(diǎn)蝕出現(xiàn)以后，齒面承載面迅速減小，接觸應(yīng)力急劇增大，加劇了齒面的疲勞損壞，最后將導(dǎo)致齒面無法正常工作。

圖2 齒面點(diǎn)蝕示意圖

3)膠合。煤礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中，有時在超負(fù)荷作用下輪齒接觸面的油膜會被擠破，使兩輪齒的金屬面直接接觸并熔焊在一起，而此時兩齒面處于相對滑動，相粘結(jié)的部位即被撕破，這樣就會在齒面上沿相對滑動方向形成傷痕，稱為膠合。在低速重載下，由于齒面間的油膜遭到破壞，也會產(chǎn)生膠合失效，齒面膠合示意圖見圖3。

圖3 齒面膠合示意圖

4)塑性變形。當(dāng)齒輪材料較軟而載荷又很大時，又由于輪齒嚙合不合理就會導(dǎo)致輪齒較軟齒部分金屬的塑性變形，從而破壞正確齒形。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下，硬度高的齒輪上也會出現(xiàn)。輪齒塑性變形示意圖見圖4。

圖4 輪齒塑性變形示意圖

5)輪齒折斷。在正常工況條件下，齒根彎曲疲勞折斷，是輪齒折斷的主要形式。當(dāng)輪齒重復(fù)受載時，齒根處往往會形成疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，最終致使輪齒折斷。此外，輪齒受力后通常最大彎曲應(yīng)力發(fā)生于齒根處，同時齒根又有較大的應(yīng)力集中，就會在齒根部分發(fā)生彎曲折斷。輪齒的折斷形式見圖5。

圖5 輪齒疲勞折斷示意圖

2 應(yīng)對措施

煤礦設(shè)備中齒輪傳動的失效直接影響著機(jī)械效能的發(fā)揮，是需要亟待解決的重要問題，下面提出幾種應(yīng)對措施。

1)設(shè)計(jì)方面。在承受重載和沖擊載荷的工礦條件下，煤礦機(jī)械齒輪的接觸耐久性極限強(qiáng)度增大到1 600 MPa，彎曲極限應(yīng)力強(qiáng)度增大到1 200 MPa，在不增大煤礦機(jī)械齒輪外形尺寸的條件下提高其強(qiáng)度和壽命，有待于進(jìn)一步研究和試驗(yàn)，優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)。通常，優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括強(qiáng)度計(jì)算公式的修正、載荷的準(zhǔn)確計(jì)算、合理選擇齒輪材料、優(yōu)化齒形的加工和處理工藝，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)和裝配要求等。

2)選材方面。結(jié)合我國煤礦機(jī)械齒輪傳動的實(shí)際情況和參考工業(yè)發(fā)達(dá)國家齒輪選用鋼材方面的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選用低碳合金滲碳鋼。一般承受重載和沖擊載荷的煤礦機(jī)械齒輪，宜選擇Ni－Cr－Mo和Ni－Cr合金滲碳鋼為主的鋼材;而對于功率較小的煤礦機(jī)械傳動齒輪，可以選用無Ni的Ni－Mn鋼。這些滲碳合金鋼的含碳量較低，Mn、Mo都可以增加鋼的淬透性，Ni可以有效提高鋼的韌性，Cr可以增加鋼的淬透性和耐磨性。此外，應(yīng)盡量選用電渣重熔合金鋼和冶金質(zhì)量好的真空脫氣精煉鋼，這種鋼材通常具有較好的致密度，含氧、氮和非金屬雜質(zhì)很少，通常具有很好的塑性和韌性，這種鋼材所制造的齒輪和普通電爐鋼制造的齒輪相比較，煤礦機(jī)械齒輪的極限載荷可提高15%～20%，接觸和彎曲疲勞壽命可提高3～5倍。另外，齒輪應(yīng)盡量多用鍛鋼，少用鑄鋼，如果必須用鑄鋼的大齒輪，可以選擇鑄鋼輪芯鑲鍛鋼齒圈組合件(鍛鋼一般選擇大于3的鍛造比)。綜上所述，要根據(jù)強(qiáng)度、韌性和工藝性能要求，結(jié)合各方面因素合理選擇齒輪材料。

3)加工工藝和熱處理方面。提高齒輪的表面粗糙度和加工精度通常是減少磨損的重要方法。如果齒輪的形位偏差小，表面粗糙度適中則利于減少磨損。在加工齒輪時從原材料開始就嚴(yán)格質(zhì)量要求，對每道工序按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范操作，確保加工精度。由于所加工零件本身的精度、刀具以及整個工藝系統(tǒng)的精度和加工過程中的調(diào)整等因素都會影響加工精度，通常情況下采用磨研、磨削、拋光等工藝手段可以降低齒輪齒面的粗糙度，而在精滾和硬化處理后可以不經(jīng)過磨齒，直接在工作狀態(tài)下進(jìn)行研磨。一般各種滲入工藝可以增加齒輪的硬度，為了增加表面硬度，可以采用表面滲碳淬火的熱處理工藝，這樣就會使齒面得到較高的硬度，而齒芯部分硬度較低，使之保持較好的韌性，來適應(yīng)工礦性能的要求。在經(jīng)過滲碳淬火或磨齒后，最常見的是對齒輪進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，任意尺寸的齒輪都可以通過噴丸強(qiáng)化來增強(qiáng)齒輪齒根的抗彎曲疲勞性能，使齒輪表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這樣會提高齒輪的疲勞壽命。

4)表面強(qiáng)化處理方面。通常，噴丸強(qiáng)化處理可以使齒根彎曲疲勞強(qiáng)度得到改善，并能提高齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度30%～50%。能夠很好地抵抗破壞性沖擊，增大耐久極限，有效減少點(diǎn)蝕;可以有效阻止裂紋擴(kuò)展，使實(shí)際載荷比外加載荷小很多;可有效消除各種切齒加工在齒面留下的連續(xù)刀痕以及磨削產(chǎn)生的缺陷。

5)正確安裝運(yùn)行方面。試驗(yàn)證明，減速器齒輪副的安裝精度的高低，對煤礦機(jī)械傳動齒輪的承載能力和使用壽命影響很大。不管新安裝、更換或檢修安裝，均應(yīng)該按照安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其是齒輪軸心線的平行度、水平度、齒輪側(cè)隙、頂隙、軸承間隙、接觸區(qū)域或軸向竄動量等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，必須滿足技術(shù)要求。在使用新齒輪前，要對其進(jìn)行充分的磨合。

6)潤滑、散熱、密封方面。潤滑對煤礦機(jī)械齒輪傳動有著十分重要的影響，良好的潤滑可以有效地提高其設(shè)備的使用壽命，因此，應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐虻年P(guān)注。一般地，煤礦機(jī)械傳動齒輪具有低速重載等特點(diǎn)，所以不可忽視輪齒接觸表面材質(zhì)的局部彈性形變。通常要根據(jù)齒輪在各種工作環(huán)境條件進(jìn)行潤滑油種類的選取，特別要合理選擇齒輪潤滑油的黏度值，假如齒輪潤滑油的黏度過小，就很難在齒面形成保護(hù)油膜，從而增大了齒面間的摩擦力，就會嚴(yán)重影響齒輪傳動的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦設(shè)備大約85%的磨損失效是因液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)中的油液受到嚴(yán)重污染所造成，因此，要有效地保持潤滑油油質(zhì)的清潔，定期對潤滑油進(jìn)行過濾清潔。對于封閉式齒輪傳動，要對齒輪箱進(jìn)行冷卻和通風(fēng)工作以保證其散熱的有效性。煤礦機(jī)械工作環(huán)境通常較惡劣，粉塵及酸性水污染對齒輪的腐蝕較嚴(yán)重，因此，還需要對煤礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行防漏油工作。

3 結(jié)束語

我國煤礦機(jī)械設(shè)備事故率高的現(xiàn)狀是一個急待解決的問題，而機(jī)械齒輪的失效通常是造成煤礦機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)行的主要原因。因此，有必要對齒輪的各種失效形式進(jìn)行研究，探索齒輪磨損的應(yīng)對措施，對減少煤礦事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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