煤矿机械传动齿轮失效形式分析及改进建议

煤矿机械传动齿轮失效形式分析及改进建议

包立军 1 、 李志良 1 、孙进伟 2

1 沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿 辽宁沈阳 110122

2辽宁能源煤电产业股份有限公司 辽宁沈阳 110122

摘要：传动齿轮失效是煤矿机械运行中常见的一类问题。根据以往经验，传动齿轮失效的表现形式主要有严重磨损、表面疲劳、塑性流动等。造成齿轮失效的原因，可能与设计参数不精确、加工质量不达标、养护不到位等因素有关。在明确了这些原因后，就可以提出针对性的改进建议。本文分别从优化设计参数、科学选择材料、进行热处理及表面强化处理、以及做好日常养护等方面，提出了关于煤矿机械传动齿轮设计、安装、管理的几点建议。

关键词：煤矿机械；传动齿轮；热处理；表面强化处理

一、煤矿机械传动齿轮失效形式分析

齿轮失效的表现形式多样，其中较为常见的有以下类型：第一，因磨损导致失效。随着煤矿机械使用年限的增加，齿轮磨损情况加重，可能出现打滑等情况，进而导致无法正常传动。除了正常磨损外，还有破损性磨损、腐蚀性磨损等，也都会造成齿轮失效。第二，因疲劳导致失效。齿轮材料存在一个疲劳极限，若齿轮在运行中因为受到过大的应力，并且超出了疲劳极限，就会在受力点位置出现裂纹。裂纹不断发育，逐渐扩大，当发育到一定程度后，表现为齿轮失效。第三，因胶合导致失效。齿轮表面的油膜可以起到保护、润滑的作用。但是如果润滑不足，或是长时间超负荷运转，这层油膜就会发生胶合破坏。金属材料直接接触加剧了齿轮磨损，也是齿轮失效的一种重要形式。

二、煤矿机械传动齿轮失效的常见原因

1、设计方面的原因

齿轮设计应充分考虑机械设备的运行特点和使用环境。煤矿机械设备多数情况下是重载、低速运行，加上作业环境比较恶劣，因此在齿轮设计时应重点考虑其强度等参数。但是在很多情况下，没有对设计方案进行充分的论证和专项实验。例如对于齿轮接触疲劳强度的分析计算,仍惯于沿用传统的Hertz公式,即以交变应力作用下测定试样的断裂循环次数而制定的S-n曲线作为疲劳设计依据，然而实际转动齿轮由于各类工艺因素和工况因素的作用,必定与试样的表面质量存在着根本的差异。

2、生产制造方面的原因

在齿轮生产、制造环节，材料的选择不当，会直接影响齿轮的使用寿命，也有较大概率影响传动效率。例如材料的实际硬度、强度，没有达到设计值；或是材料本身存在裂纹、气孔等质量缺陷，使用这些材料加工、制作齿轮后，齿轮也有较大概率出现失效的情况。除了材料自身方面的问题外，加工工艺不科学、制作精度不达标，也都是常见的原因。例如没有对材料进行淬火处理，或是淬火操作不当，出现了淬火裂纹等。在制造时，齿轮对尺寸、角度等有着极高的要求，若精度不达标、误差较大，齿轮之间无法紧密接触，也会造成传动失效。

3、安装使用方面的原因

由于煤矿机械设备长期在一些复杂、恶劣的环境下运行，因此齿轮失效的概率更高。在机械组装时，现场技术人员没有提前熟悉说明书，未严格执行安装作业规范，凭经验安装的情况比较常见，也会因为安装质量不过关，而影响齿轮的正常运转。例如齿轮轴中心线的水平度、中心距、接触面积等，与设计要求和安装标准之间存在较大误差。另外，由于煤矿机械设备运行负荷大，齿轮的养护工作也十分必要。但是由于存在重使用、轻养护的情况，导致齿轮加速损坏。在润滑不足的情况下，没有及时补充润滑油，造成了严重磨损，大幅度缩短齿轮的使用寿命。

三、煤矿机械传动齿轮的改进建议

1、优化结构设计

科学的齿轮结构、参数设计，是保证齿轮能够正常运转的必要条件。另外，还应当从煤矿机械设备的角度，综合考虑其运行状态，根据最大负载下齿轮的受力分析，在设计方案中合理确定齿轮的直径、强度以及组合形式。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、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、装配要求等。在设计时，还可以借助于一些先进的技术，例如BIM技术可以更加直观的展示齿轮的结构，并且支持仿真模拟。根据仿真结果，设计人员可以优化设计方案，保证了下一步齿轮制造、安装等工作的顺利开展。

2、科学选用材料，规范加工工艺

齿轮的材质是决定齿轮传动效果、使用寿命的重要因素。在选择材料时，强度、韧性等，都是必须要考虑的内容，较为常见的齿轮材质是低碳合金渗碳钢。在确定材质后，还要对材料质量进行严格把关。采用抽样检测的方式，要求样品合格率在95%以上，没有裂纹、孔洞，纯度、致密度等达到使用要求。另外，还需要通过化学分析，保证材质中非金属杂质的含量控制在1%以下。另外，齿轮表层碳含量尽量控制于0.8%～1%以内。在处理内部硬度时，尽量做到均匀，不可存在较大跨度。

在保证材料方面不存在问题后，还需要规范加工工艺，保证齿轮制造质量。控制误差、保证精度，是齿轮制造时必须要关注的内容。煤矿机械传动齿轮的加工精度通常要求达到9级以上，且对齿面光滑度有严格要求。可以先选用常规方法进行磨齿，然后再使用电抛光技术，将齿面粗糙度控制在允许范围以内。齿轮制造中，热处理和表面强化处理，也是不可或缺的两道工序。深层渗碳淬火处理的目的是提高齿轮的硬度。第一次淬火和第二次回火之后，可以显著降低齿轮表面的残余应力，对于延长齿轮使用寿命有良好效果。表面强化处理则是采用“喷丸”方式，使微小的弹丸在高压作用下高速撞击齿轮，在齿轮表面形成一层薄层，可以提高齿轮的耐疲劳强度、抗腐蚀能力。

3、正确安装与日常养护

根据以往的机械设备管理经验，安装不规范、养护不到位是造成齿轮失效的两项重要原因。因此，在进行设备安装时，要求安装人员必须严格按照设计方案和技术规范，完成齿轮的组合、安装。同时，在安装结束后，还应当进行复查，或是进行试运行，如果存在问题，可以第一时间发现，避免因为安装不规范而影响齿轮的正常运行。另外，煤矿机械工作环境的复杂性、机械运行的高负载等特点，都决定了必须要重点做好日常养护。需要制定并严格执行机械设备养护制度，重点对传动齿轮进行检查。若发现润滑不足，应及时添加润滑油；若发现磨损严重，应及时更换新的齿轮。只有养护到位，才能防止齿轮失效，延长整个煤矿机械设备的使用寿命。

结语：煤矿公司每年因为机械传动装置故障而造成的直接、间接损失巨大，而齿轮失效作为传动装置故障的重要形式，也需要引起重视。通过分析齿轮失效的表现形式，明确造成失效的主要原因，然后采取针对性的改进措施，重点加强设计、选材、安装、养护等方面的工作管理，为机械传动齿轮的运行提供全方面的支持，保证煤矿机械设备高效、健康运作，为企业创造更多的效益。

参考文献：

[1]闫思宏,陶凤和,贾长治.多失效模式履带车辆传动齿轮可靠性灵敏度分析[J].机械强度,2019(03):641-646.

[2]耿佳红.矿山机械传动齿轮失效故障及优化分析[J].市场调查信息(综合版),2019(3):232-234.