機械傳動齒輪失效的改進方法

黃燕 淮河能源股份有限公司，朱集東礦

一、設(shè)計

機械齒輪，特別是承受重載和沖擊載荷的提升和采掘運輸機械齒輪，其彎曲極限應(yīng)力強度增大到1200 MPa，接觸耐久性極限強度亦增大到1600 MPa，如何在不加大外形尺寸的條件下提高其強度和壽命，需進一步進行科研技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容包括載荷的準確計算、強度計算公式的修正、優(yōu)化選材、優(yōu)化齒形結(jié)構(gòu)、先進的加工和處理工藝、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，提高標準化、系列化程度。筆者認為還可以采用以下幾種比較先進的優(yōu)化設(shè)計方法：

（1）按照GB3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力的計算方法》和有關(guān)行業(yè)標準，采用CAD進行齒輪強度計算和齒輪結(jié)構(gòu)方案的類比，選出最優(yōu)的設(shè)計方案。

（2）利用保角映射和有限元法等方法分析齒根彎曲應(yīng)力，采用較大半徑的齒根過渡圓角并采用凸頭留磨滾刀加工外齒輪齒形，以此降低齒根彎曲應(yīng)力集中，提高彎曲強度。

（3）根據(jù)彈性力學(xué)知識分析輪齒的嚙合形變，采用齒頂修緣，修緣線是采用較大壓力角的漸開線；采用齒面噴丸處理等工藝來提高輪齒的接觸和彎曲疲勞強度。

（4）根據(jù)彈流潤滑理論研究齒輪潤滑狀態(tài)后，采用極壓添加劑的高粘度齒輪潤滑油來改善齒輪的潤滑狀態(tài)。

二、選材

齒輪材料的選擇，要根據(jù)強度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。結(jié)合我國實際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對于承受重載和沖擊載荷的齒輪，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材（含Ni量2%～4%）；對于負載比較穩(wěn)定或功率較小、模數(shù)較小的齒輪，亦可選用無Ni的Ni-Mn鋼。這些滲碳合金鋼的含碳量較低，平均為0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加鋼的淬透性（含Mn量以0.4%～0.6%為宜），Cr能增加鋼的淬透性和耐磨性，Ni對提高鋼的韌性特別有效。應(yīng)研制、采用新型淬透性好的滲碳齒輪鋼（國外稱為“H”鋼系列），它具有較窄范圍的淬透性帶，可保證齒輪變形范圍小并達到要求的芯部硬度。應(yīng)盡量選用冶金質(zhì)量好的真空脫氣精煉鋼（R—H脫氣鋼）和電渣重熔合金鋼，這種鋼材的純度高，具有較好的致密度，含氧、氮和非金屬雜質(zhì)極少，塑性和韌性好，減少了機械性能和各向異性。用這種鋼材制造的齒輪與普通電爐鋼制造的齒輪相比，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3～5倍，齒輪極限載荷可提高15%～20%。

三、加工工藝

機加工滾齒時，粗、精滾工序要分開，先用滾刀進行粗切，再用專用滾刀進行精滾齒，保持滾刀精度，用百分表控制切齒深度，切齒深度誤差應(yīng)控制在零位附近，精滾齒滾刀的齒形誤差應(yīng)不大于0.03 mm。齒形加工一般要達到9級精度。齒面粗糙度必須達到設(shè)計要求，可在磨齒后，進行電拋光或振動拋光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齒輪的壽命比粗糙度差的可提高15%～20%。

采用齒面修形、齒形修緣和挖根大圓弧（大圓弧齒根）新技術(shù)（包括倒角、磨光、修圓），能消除或減輕嚙合干涉和偏載，提高齒輪的承載能力，使齒根應(yīng)力集中降低，齒輪的彈性柔度增大。對齒形進行修飾（磨齒、剃齒、研齒），齒輪的接觸極限應(yīng)力可提高15%～25%。對齒作縱向修形（修齒腹），齒輪的壽命可提高2倍，彎曲應(yīng)力可減少17%～23%，并可降低噪聲。當切齒刀具的硬度大于工件硬度的2～5倍以上，并有較好的韌性和耐磨性時，切削效果較好。硬齒面齒輪常采用磨削法和刮削法加工，齒胚經(jīng)多次熱處理和切削加工。

四、熱處理

煤礦機械齒輪的承載能力不僅取決于表面硬度，還取決于表層向芯部過渡區(qū)的剪應(yīng)力與剪切強度的比值，它不能大于0.55。深層滲碳淬火是這種齒輪硬化處理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，較小的過渡區(qū)殘余拉應(yīng)力和充足的硬化層深度。齒面含碳量一般控制在0.8%～1%為宜，由齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。滲碳齒輪經(jīng)過淬火和回火，表面硬度應(yīng)達到HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘余內(nèi)應(yīng)力。推廣碳、氮共滲新工藝，氮的滲入深度一般控制在0.2 mm以內(nèi)，它不但能硬化表層，還能產(chǎn)生壓應(yīng)力，可比單純滲碳齒輪的強度極限應(yīng)力提高13%以上，壽命可提高1倍。熱處理后，尚需進行油浴人工時效處理。

五、表面強化處理

對齒面和齒根進行噴丸強化處理，通常是齒輪加工的最后一道工序，可在滲碳淬火或磨齒后進行。它能使齒輪的接觸疲勞強度提高30%～50%，使齒根彎曲疲勞強度得到改善；能有效阻止裂紋擴展，使實際載荷比外加載荷小得多；能有效抵抗破壞性沖擊，減少點蝕，增大耐久極限；有利于齒輪潤滑的改善；可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（產(chǎn)生殘余應(yīng)力和淬火壓應(yīng)力的釋放）。根據(jù)國外經(jīng)驗，齒輪噴丸比不噴丸壽命可提高6倍。

六、正確安裝運行

實踐表明，減速器齒輪副的安裝精度，對齒輪的承載能力、磨損和使用壽命有很大影響。無論是新安裝、更換或檢修安裝，都應(yīng)做到嚴格、精細，按照安裝技術(shù)規(guī)范和標準進行，特別是齒輪軸心線的水平度、平行度、中心距、軸承間隙、齒輪側(cè)隙、頂隙、接觸區(qū)域或軸向竄動量等，必須達到質(zhì)量標準和技術(shù)要求。新齒輪在投運前，應(yīng)進行充分的跑合。制訂運行操作規(guī)程，認真執(zhí)行，嚴禁違章作業(yè)，超負荷運轉(zhuǎn)。

按照制造廠的減速器使用說明書和維護檢修規(guī)程、標準，進行科學(xué)維護管理。定期監(jiān)測齒輪磨損狀況，化驗潤滑油，開展故障診斷，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。定期清洗減速箱和齒輪，更換油脂，保持油量，防止煤粉、水份、異物混入減速器內(nèi)。改進減速器密封，防止漏油。

七、潤滑

潤滑對于齒輪的磨損失效有著重要的影響，應(yīng)當引起足夠的重視。煤礦機械傳動齒輪的特征是：多采用低速重載齒輪，接觸應(yīng)力通常很高，因此輪齒接觸表面材質(zhì)的局部彈性變形不容忽視；同時齒輪在共軛嚙合過程中，除切點部位以外，均為滾、滑運行。這一特征完全符合彈性流體動力潤滑（EHL）理論。它與傳統(tǒng)的Martin潤滑理論的基本區(qū)別在于：上述齒輪表面的局部彈性變形量往往比按剛性邊界計算的油膜厚度大許多倍，因此對油膜的形狀和壓力分布帶來明顯的影響。我們應(yīng)當按照這個理論和規(guī)律進行齒輪潤滑參數(shù)設(shè)計。要根據(jù)不同的齒輪，合理選用潤滑油種類。對于傳遞負荷較輕的（齒面應(yīng)力小于4000 kg/cm2）齒輪，宜選用純礦物油，如機械油、一般齒輪油、汽缸油等；對于傳遞中等負荷（齒面應(yīng)力4000～6000 kg/cm2）的齒輪，宜選用工業(yè)齒輪油；對于傳遞重負荷、多沖擊和周圍環(huán)境多污染的齒輪（如煤礦采掘機械齒輪），宜選用極壓齒輪油。潤滑油粘度選擇的主要依據(jù)是齒輪的切線速度。可根據(jù)產(chǎn)品使用說明書推薦的粘度范圍選擇。當環(huán)境溫度高于25℃，或齒輪經(jīng)常承受沖擊負荷，或齒輪是整體淬硬材料時，宜選用較高粘度值；當環(huán)境溫度低于10℃時，宜選用較低粘度值。