賈棕花

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦）

摘　要：在煤礦生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中，煤礦機(jī)械設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障問題，拉低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益水平。煤礦機(jī)械設(shè)備Z常出現(xiàn)的便是傳動齒輪失效問題，據(jù)此根據(jù)煤礦機(jī)械設(shè)備速度低、運(yùn)行功率大以及重載小等特點(diǎn)，分析了機(jī)械傳動齒輪的失效形式，并提出了相關(guān)的改進(jìn)措施，為此后煤礦機(jī)械設(shè)備齒輪的維修工作提供更多的借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦機(jī)械；傳動齒輪；失效形式；改進(jìn)技術(shù)

0　引言

在煤礦機(jī)械生產(chǎn)傳動過程中，齒輪具備較為廣泛的使用范圍，其可以為任意兩根軸之間傳遞動力，但齒輪也很容易發(fā)生失效問題，以致無法發(fā)揮設(shè)備的實(shí)際功能，嚴(yán)重影響了煤礦企業(yè)的安全高效運(yùn)行。煤礦生產(chǎn)具備較高的安全性能要求，因此企業(yè)應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動齒輪，針對其失效問題采用合理的解決措施，優(yōu)化制造與安裝設(shè)計(jì)流程，以切實(shí)提升齒輪的工作效率，減少能源消耗。通過使用先進(jìn)的機(jī)械傳動齒輪技術(shù)，可以節(jié)能控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

1　煤礦機(jī)械傳動齒輪失效形式

1.1  傳動齒輪的磨損

齒輪磨損屬于機(jī)械傳動齒輪Z為常見的問題，經(jīng)過長時(shí)間的使用，傳動齒輪必然會出現(xiàn)磨損問題，以致失效，影響開采效率。一是正常磨損，主要指的是正常運(yùn)行狀態(tài)下的傳動齒輪因齒輪表面接觸金屬出現(xiàn)磨損問題，且主要分為三階段，分別為初期、中期以及后期，且這三階段對齒輪的工作性能及工作質(zhì)量均會造成一定影響，齒輪升溫、振動以及噪聲等均與性能成反比，期間應(yīng)做好維護(hù)工作。二是破壞性磨損，磨料性磨損主要指的是齒輪在嚙合期間進(jìn)入細(xì)顆粒，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)不正常磨損，這些細(xì)顆粒主要為齒輪箱內(nèi)外的污垢以及工作環(huán)境中的塵埃，因此相關(guān)工作人員應(yīng)定期做好檢查工作，及時(shí)潤滑，以減小磨損程度。腐蝕性磨損主要來源于電化學(xué)與化學(xué)反應(yīng)，比如潤滑油污染以及水污染等，這些均會腐蝕齒輪齒面，因此應(yīng)做好哦齒輪箱的防水工作。膠合磨損會導(dǎo)致斷齒問題，主要因潤滑油使用不當(dāng)以及機(jī)械設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致。因此，應(yīng)注意控制工作量，避免超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。疲勞蝕齒主要指的是齒輪在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后，物件金屬表面會形成小片脫落，齒輪齒面出現(xiàn)少數(shù)的凹陷。

1.2  傳動齒輪變形與疲勞損壞

首先是塑性變形，運(yùn)行期間，齒輪嚙合不當(dāng)會導(dǎo)致設(shè)備因超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)齒輪變軟變形問題，嚴(yán)重時(shí)齒頂邊緣會出現(xiàn)飛邊問題，齒面開始嚴(yán)重凹陷，齒輪接線附近出現(xiàn)凸線，齒面開始變形，正常嚙合受到破壞。其次是起波紋，嚙合期間若沒有充分使用潤滑油會導(dǎo)致滑動粘附摩擦問題，且齒面會產(chǎn)生垂直于滑動方向的波紋。疲勞斷裂主要因長時(shí)間過載重量引起，壓力超過了彎曲材料允許的極限力，以致加載期間出現(xiàn)裂紋。一般情況下，齒輪邊部應(yīng)力比較完整，沿著對角線橫過，但突然的沖擊負(fù)荷會導(dǎo)致齒面過載較大，以致軸承損壞。

2　某煤礦機(jī)械傳動齒輪失效問題及改進(jìn)技術(shù)

2.1  裝置及故障概況

某煤礦采用的機(jī)械傳動齒輪如圖1所示，為二級減速裝置，電機(jī)驅(qū)動為輸入軸，三根傳動軸帶動兩幅齒輪進(jìn)行嚙合，保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。輸出端與輸入端均采用加速度傳感器采集信號，并采用滾動軸承。試驗(yàn)裝置齒輪分為直齒齒輪與斜齒齒輪，且裝置包括動力電機(jī)、齒輪箱、傳感器、聯(lián)軸器以及脈沖計(jì)等。

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械傳動齒輪出現(xiàn)了偏心、軸不平衡、齒面破損以及斷齒等問題，且故障并非單一類型。

圖1   齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖

2.2  機(jī)械傳動齒輪失效改進(jìn)技術(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)

運(yùn)行期間，某煤礦機(jī)械承受重載與沖擊載荷的齒輪彎曲極限應(yīng)力強(qiáng)度可以增大到 1 200 MPa，接觸耐久極限也可以增大到 1 600 MPa。設(shè)計(jì)時(shí)不可改變齒輪的外形尺寸，為了提高齒輪的運(yùn)行壽命與抵抗強(qiáng)度，應(yīng)采用改進(jìn)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。其中包括載荷準(zhǔn)確計(jì)算、修正強(qiáng)度計(jì)算公式、優(yōu)化選材、優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)以及采用先進(jìn)的加工技術(shù)等，以確保合理的嚙合參數(shù)，提升潤滑性。表 1為對齒輪斷齒、剝落以及點(diǎn)蝕產(chǎn)生影響的因素，以便綜合設(shè)計(jì)。

漸開線齒形的齒輪相對曲率半徑較小，接觸強(qiáng)度受限，圓弧齒輪在接觸點(diǎn)，其齒面相對曲率半徑較大，具備更大的彎曲疲勞強(qiáng)度與表面強(qiáng)度，且重量較小。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用圓弧齒輪，并優(yōu)化搭配模型與螺旋角等參數(shù)，延長齒輪的使用壽命。同時(shí)，根據(jù)有限元與保角映射方法分析齒根的彎曲應(yīng)力，利用凸頭磨滾刀加工齒輪齒形，降低彎曲應(yīng)力，提高彎曲強(qiáng)度。同時(shí)，還應(yīng)利用高粘度潤滑油改善齒輪的潤滑狀態(tài)。

表1   對齒輪斷齒、點(diǎn)蝕以及剝落產(chǎn)生影響的因素

2.2.2  選材

設(shè)計(jì)人員應(yīng)在結(jié)合工藝性能、韌性以及強(qiáng)度等因素的基礎(chǔ)上選擇合理的齒輪材料，此煤礦企業(yè)選擇了低碳合金滲碳鋼材料，其可以避免齒輪變形，可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的芯部硬度。在制造齒輪時(shí)應(yīng)盡量減少鑄鋼的使用，多使用鍛鋼，并確保合理的鍛造比。除此之外，海還應(yīng)利用超聲波探傷方法做好齒輪性能試驗(yàn)的檢查工作，確保材料質(zhì)量合格。

2.2.3  加工工藝

技術(shù)人員在加工齒輪時(shí)應(yīng)分開粗、精滾工序，先利用滾刀進(jìn)行粗切，之后利用滾刀進(jìn)行精切，確保滾刀的精度，在控制切齒深度時(shí)應(yīng)采用百分表，確保誤差控制在零位附近。齒形加工應(yīng)達(dá)到 9級精度，齒面粗糙也應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，磨齒后應(yīng)進(jìn)行電拋光，提升表面的粗糙度，延長齒輪的使用壽命。在齒面修形以及齒形修緣過程中，應(yīng)利用大圓弧齒根技術(shù)進(jìn)行磨光、修圓，以切實(shí)提升齒輪的承載力，確保齒根應(yīng)力集中，增大齒輪的彈性柔度。且硬齒面應(yīng)采用磨削方法加工，多次熱處理與切削加工齒胚。對于加工組裝的減速器，在出廠前應(yīng)完成加載跑合，采用電火花跑合工藝，充分提升齒輪的接觸精度。

2.2.4  熱處理

表面硬度、表層向芯部過渡區(qū)剪應(yīng)力等均屬于機(jī)械齒輪承載力的決定因素，因此應(yīng)采用深層滲碳猝火技術(shù)完成齒輪硬化處理，以得到較高硬度的芯部。齒面含碳量應(yīng)控制在 0.8%～1%，且還應(yīng)通過回火與猝火消除齒輪表層的殘余應(yīng)力。

2.2.5  表面強(qiáng)化處理

齒面與齒根應(yīng)進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，一般在滲碳猝火與磨齒后進(jìn)行，以切實(shí)提高齒輪接觸疲勞強(qiáng)度。避免裂紋擴(kuò)展，減小實(shí)際載荷，有效抵抗外部的破壞力沖擊，減少點(diǎn)蝕問題，增大齒輪的耐久極限。同時(shí)，還應(yīng)消除齒面磨削期間產(chǎn)生的缺陷，釋放殘余應(yīng)力與猝火壓力。

2.2.6  正確安裝運(yùn)行

減速器齒輪副安裝精度直接影響著齒輪的磨損與使用壽命，因此技術(shù)人員應(yīng)做到嚴(yán)格安裝檢修，根據(jù)技術(shù)規(guī)范確保齒輪軸心線、平行度以及軸承間隙等均得到技術(shù)要求，且齒輪在投入使用前，應(yīng)充分跑合，期間技術(shù)人員認(rèn)真執(zhí)行操作規(guī)程，嚴(yán)禁超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，工作人員應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的維護(hù)檢修程度科學(xué)維護(hù)齒輪，并定期檢測齒輪的磨損情況。同時(shí)，還應(yīng)做好齒輪與減速箱的清洗工作，更換油脂，保持油量，以免異物混入減速器中，改善減速器的密封情況。

2.2.7  潤滑

技術(shù)人員在潤滑期間應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)律與設(shè)計(jì)參數(shù)，明確嚙合面的加工粗糙程度與磨損度，采用改進(jìn)技術(shù)延長齒面的抗疲勞強(qiáng)度與使用壽命。同時(shí)，為了減小齒輪表面摩擦力數(shù)值，技術(shù)人員還應(yīng)建立油膜，延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展速度。工作人員應(yīng)根據(jù)齒輪的具體類型合理選擇潤滑油種類，且選擇時(shí)應(yīng)注重環(huán)境的污染程度。煤礦工作期間周圍環(huán)境溫度較高，因此應(yīng)選擇高粘度值的潤滑油。

3　結(jié)束語

在煤礦開采期間，機(jī)械傳動齒輪具備十分重要的作用，其雖然只是機(jī)械部件，但并不孤立存在，且運(yùn)行期間極易發(fā)生失效問題。對此，相關(guān)工作人員應(yīng)針對其出現(xiàn)的故障問題采取合理的改進(jìn)技術(shù)，其操作人員也應(yīng)不斷提升自身的操作水平，嚴(yán)格遵照科學(xué)合理的安裝與維修方法，從而確保傳動齒輪的正常運(yùn)行，在提升傳動齒輪生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)企業(yè)的競爭實(shí)力。

來源：《中文期刊》2019