礦山機械中傳動齒輪失效形式、原因與改進研究

茆亮亮

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南232001；2.淮北礦業(yè)集團 設(shè)備管理中心，安徽 淮北235000）

0 前言

由于客觀條件的限制，我國礦山機械事故率一直較高，而傳動齒輪失效是機械故障最主要的一種形式。 一方面，我國煤炭以地下開采為主，所處的工作環(huán)境十分惡劣，如粉塵多、濕度高、空氣壓力大（與地面相比）等，在此條件下礦山機械容易遭到腐蝕，從而減小使用壽命；另一方面，煤炭生產(chǎn)過程中多采用倒班制，一天24 小時內(nèi)礦山機械基本處于工作狀態(tài)，其生產(chǎn)特殊性使得機械設(shè)備的工作時間長、工作負荷較大、因此機械零部件容易摩損。此外，人為因素也是導(dǎo)致機械故障的部分原因，如不注意齒輪日常維護等。

1 煤礦機械中齒輪失效的形式

常見于以下幾種：

1）磨損。 煤礦機械工作的對象為不同地質(zhì)條件的煤巖體，所以作業(yè)強度大，齒輪載荷高，所以容易造成齒輪的磨損，根據(jù)磨損產(chǎn)生原因的不同，可以將磨損類型分為正常磨損、中度磨損、磨料性磨損（擦傷）、疲勞磨損（點蝕）、干涉磨損、膠合等。 磨損屬于齒輪的緩慢損耗，在齒輪壽命期內(nèi)， 存在一定程度的磨損并不會影響其正常的使用性能，一般來講，磨損量不能超過維修標準。

2）表面疲勞。 通常情況下，齒輪的表面或表面下會存在一定的材質(zhì)初始裂紋，當齒輪不斷地受到交變應(yīng)力的反復(fù)作用，材料就會產(chǎn)生疲勞，當應(yīng)力超出了材料的疲勞極限，這些初始裂紋就會開始擴展，從而形成凹坑，或者產(chǎn)生金屬的移動，而且這些凹坑還會經(jīng)常增大尺寸，以及合并。 根據(jù)表面疲勞產(chǎn)生的原因，可以分為破壞性點蝕和疲勞剝損兩種類型。

3）塑性流動。可分為塑性變形、起波紋和起皺三種類型。塑性變形指的是輪齒較軟齒部分金屬的塑性變形，嚴重時會出現(xiàn)飛邊、齒頂變圓，造成主動齒輪和被動齒輪的齒面失去正確的齒形；起波紋是指在齒面上形成外觀呈魚鱗狀的波紋，波紋方向與滑動方向垂直。 多見于表面淬火的小齒輪上。 起皺是指齒面出現(xiàn)呈人字形或魚尾狀的皺紋，皺紋沿滑動方向。

4）斷裂。斷裂意味著齒輪徹底失去效用，根據(jù)產(chǎn)生斷裂的原因，可以將斷裂分為疲勞斷裂、磨損斷裂、超負荷斷裂、磨削裂紋、以及淬裂等幾種。

2 齒輪失效原因分析

煤礦機械設(shè)備中齒輪的失效將直接影響機械效能的發(fā)揮，造成嚴重的后果。 根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，齒輪的失效原因主要有以下兩個方面：

1）制造加工。 在齒輪的制造加工過程中，如果沒有嚴格的質(zhì)量保證措施，或者制作工藝上有缺陷，也會造成齒輪制造質(zhì)量達不到預(yù)定標準和技術(shù)要求。 例如大齒輪在鑄造中存在化學成分偏差、非金屬夾雜物、氣孔、砂眼等缺陷；忽視鍛造比要求，降低了鍛造齒輪的材質(zhì)性能；齒面硬度由于熱處理質(zhì)量不過關(guān)而達不到設(shè)計技術(shù)要求。

2）安裝使用。 煤礦機械設(shè)備的安裝質(zhì)量不穩(wěn)定，無法達到齒輪安裝的技術(shù)要求。 例如齒輪軸中心線的平行度、水平度、中心距、輪齒嚙合間隙、 接觸面積以及軸承安裝等安裝問題都會引起齒輪的工作壽命。另外在使用過程中，潤滑油脂達不到技術(shù)要求，或者漏油、缺油，以及不能定期清洗減速箱和齒輪，更換油脂，都會使齒輪超出其承載能力，縮短使用壽命。

3 提高齒輪使用的措施

礦山機械正常工作中容易出現(xiàn)傳動齒輪承載負荷超載的情況，造成齒輪失效，因此不利于煤炭安全生產(chǎn)。 一般而言，可在設(shè)計、技術(shù)等方面對其改造，并應(yīng)在實際生產(chǎn)中加強對傳動齒輪的常規(guī)檢查。

3.1 煤礦機械齒輪的短圓柱滾子的應(yīng)用

齒輪傳動輪軸承采用短圓柱滾子或自潤滑軸承是解決小直徑齒輪軸承設(shè)計技術(shù)難點的有效途徑。由于在煤礦生產(chǎn)過程中需要消耗大量的電力資源對機械設(shè)備進行科學控制，煤礦生產(chǎn)中的能耗大多集中在電機設(shè)備中，采取煤礦機械齒輪傳動控制可以有效解決電機的高消耗低效益的問題，實現(xiàn)能源的高效利用。 在這個過程中最重要的是應(yīng)用先進的節(jié)能設(shè)備進行科學管理，在生產(chǎn)控制過程中，煤礦機械齒輪傳動得到了廣泛的應(yīng)用。煤礦機械齒輪傳動應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進行機械設(shè)計可以有效的提升工作效率，減少能源消耗。

3.2 煤礦機械齒輪的短圓柱滾子的結(jié)構(gòu)

用輪內(nèi)孔充當軸承滾子的外圈滾道，為保證多排圓柱滾子有良好的潤滑，采用在輪齒根處鉆幾個直通排與排之間小孔和在擋環(huán)圓周上開設(shè)潤滑油孔的方法。煤礦機械齒輪存在阻力較大、單位運輸量較少，但是功率消耗大，牽引電機運輸過程存在運輸間斷、生產(chǎn)消耗較大的問題，煤礦開采運輸系統(tǒng)應(yīng)延用煤礦機械齒輪以此減少電能消耗。 為減少煤礦機械齒輪損耗，首先需要畫出電氣設(shè)計圖以及繼電器柜的布局，這樣才可以安裝調(diào)試，方便修改控制。 但是使用煤礦機械齒輪，潤滑油能順暢地進入密集的圓柱滾子間。煤礦機械輪內(nèi)圈與軸均充當了軸承滾道，這樣就對輪和軸除要求有高的加工質(zhì)量外，還要有很高的熱處理硬度。

3.3 煤礦機械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量的確定

煤礦機械的短圓柱滾子的型號、直徑和長度等參數(shù)可在軸承樣本上選取。煤礦機械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量選擇模型要具有估計歸納的最小錯誤，并且重新設(shè)定模型在煤礦機械的設(shè)計中體現(xiàn)。 煤礦機械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量的典型選擇中使用k=10。 雖然每次擁有的是數(shù)據(jù)1/k，但計算還是比較貴的相對于不運用交義驗證，因此需要訓(xùn)練每一個模型k 次。 然而k =10 是通常的選擇，在真正的問題研究中數(shù)據(jù)往往是缺乏的，有時我們會用一種極端的選擇k = m，目的是每一次盡可能的避免無數(shù)據(jù)狀態(tài)。 計算結(jié)果取整數(shù)部分舍去的小數(shù)部分在0.2 左右，如不符合，可修正軸承孔內(nèi)徑。

3.4 煤礦機械齒輪的自潤滑軸承的應(yīng)用

煤礦機械齒輪的滑動軸承有抗沖擊、振動性好、定心精度高、徑向尺寸較小等優(yōu)點。 滑動軸承主要的失效形式為磨損，防止失效的關(guān)鍵在于能否保證軸頸和軸瓦間形成一層邊界油膜。煤礦機械齒輪的自潤滑軸承可以任意改變功能性間隔而不用真正改變?nèi)魏斡幸饬x的東西。當壓強P 較小時，即使P 與Pv 都在許用范圍內(nèi)，也可能因滑動速度v過大而加劇磨損。采用短圓柱滾子或自潤滑軸承是解決小直徑齒輪軸承設(shè)計技術(shù)難點的有效途徑。 機械齒輪直接影響機械設(shè)備的使用性能，承受外部載荷，僅有周向壓縮應(yīng)力把主軸受力傳遞給承力元件，機械內(nèi)部沒有支環(huán)，在大型礦井中，煤炭機械設(shè)備工作量大，保證安全生產(chǎn)，機械齒輪的工作構(gòu)件、受力情況等均與所裝配的工作元件有關(guān)。

4 結(jié)語

傳動齒輪在礦山機械中應(yīng)用較廣，研究分析其失效形式和故障原因可以明顯提高機械工作效率并顯著減小機械事故率，這與煤炭企業(yè)關(guān)于“安全、高產(chǎn)、高效”的生產(chǎn)理念是一致的，也是非常具有現(xiàn)實意義的。

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