煤礦刮板運輸機減速器齒輪失效形式及優化研究

王龍龍

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司，山西 蒲縣 041200）

引言

作為煤礦生產作業中的關鍵設備，刮板運輸機可以保證開采工作的穩定持續進行，其中核心傳動單元為減速器，直接決定著運輸機的運行效果。根據以往煤礦開采經驗可知，一旦刮板運輸機齒輪傳動系統出現故障問題，會嚴重影響煤礦開采效率?；诖耍旱V企業應針對性分析減速器齒輪失效情況，制定可行的改進方案，保證安全運行，促進煤礦開采工作的持續進行。

1 刮板運輸機減速器結構特點

煤礦開采期間使用1臺SGZ-630/400型刮板運輸機，減速器采用密封結構，包括浮動油封，浮動座內設置密封環且浮動座與對應密封環之間設置軟性密封圈。減速器外殼設置潤滑油，油路輸出端連接油槽，與粉塵等雜質隔絕，以延長浮動油封的使用壽命，提高工作效率。減速器具備以下幾個特點，首先是錐齒輪傳動，又被稱為螺旋傘齒，包括克林根貝爾制式以及格里森制式兩種形式，其中格里森制式齒輪為漸縮式弧齒錐齒形狀，被廣泛應用至高速、中低速的荷載情況下；克林根貝爾格制式屬于高擺線齒輪，抗沖擊與承載能力較強。煤礦刮板運輸機運行期間需要承載較大的運輸荷載，沖擊力較大且荷載強度較大，因此應將克林根貝爾格制式螺栓錐齒輪安裝至高速級錐齒輪上。其次是漸開線斜齒圓柱齒輪傳動，刮板運輸減速器采用水平安裝模式時，中間級為漸開線斜齒圓柱齒輪傳動，可以保證高速運轉，并增大功率，為了實現不同速比與功率等級要求，應改變中間級的傳動比，實現系統與模塊化設計，派生出更多新型產品。最后是漸開線行星齒輪傳動，太陽輪屬于行星輸入齒輪，存在三個行星輪，自身具備嚙合優勢，可以增大輸出扭矩，分流功率，保證齒輪的正常運行。傳遞相同扭矩時，行星齒輪重量輕且體積小，結構緊湊，運行平穩。

2 煤礦刮板運輸機減速器齒輪失效形式

2.1 齒面點蝕

齒輪嚙合過程中，所受荷載為交變應力，在周期因素的影響下，齒輪表面極易出現微疲勞裂紋。在齒輪交變荷載的影響下，裂紋會不斷擴大，表面剝離金屬微粒，形成疲勞點蝕。尤其是太陽輪會與多個行星齒輪相互嚙合，應力循環次數較多且承載荷載較大，更易發生齒面點蝕問題，分析統計現場失效數據，也表明太陽輪表面更易發生點蝕問題，如圖1所示。

圖1 行星輪傳動中太陽輪點蝕

運行期間，齒輪一旦偏載，齒面應力會急劇增大，發生點蝕問題。同時，齒面未得到精細加工，潤滑油無法發揮散熱效果，齒面極易發生點蝕問題。當齒輪表面被點蝕后，會嚴重影響減速器的正常運行，無法保證其穩定性，還會帶來振動與噪音。隨著點蝕加劇，齒面剝離，無法實現正常嚙合，嚴重時還會導致整個減速器失效。

2.2 齒面磨損

齒輪嚙合過程中，接觸面會發生相對滑動，出現摩擦力與磨損問題，若齒面之間存在異物，還會加重磨粒磨損程度，嚴重影響了正常運行，具體見下頁圖2所示。減速器處于惡劣的工作環境，停機維修時會發現潤滑油中存在碎石、煤渣等雜物，加劇了齒面磨損。因此，減速器運行期間應定期更換潤滑油，并做好清潔工作。

圖2 錐齒輪齒面磨損

2.3 輪齒折斷

疲勞或過載均屬于輪齒折斷的影響因素，刮板運輸機運行期間，傳輸鏈條中極易掉入碎石煤礦等雜物，產生較大阻力，會突然增大荷載，產生沖擊力，嚴重影響了齒輪的正常運行，嚴重時甚至還會折斷齒輪，導致過載。統計數據可知，高速級螺旋圓錐齒輪副極易發生輪齒折斷問題，具體見下圖3所示。

材料及所受載荷均會導致輪齒疲勞折斷問題，齒輪嚙合期間承受中周期性交變應力，一旦超出材料疲勞極限，極易發生斷裂問題。行星輪、太陽輪、內齒圈會出現嚙合傳動，循環次數較多，導致齒輪極易發生疲勞折斷問題。

3 刮板運輸機減速器齒輪失效優化對策

3.1 改進齒輪設計

為了提高齒輪使用性能，提供使用壽命，工作人員應通過以下方法改進設計。

一是優化設計齒輪模數與齒數，這也是最關鍵的設計參數，工作人員在計算幾何齒輪與強度時，應確保合理性與科學性。為了提高齒根部位彎曲強度，應盡量選擇大模數與小齒數。

二是對齒輪修行設計，齒輪實際嚙合區域與理論區域會受到加工精度與彎曲變形等因素的影響，導致齒輪件偏載，降低使用壽命，為了消除此種不良影響，應對齒輪合理修行。

三是提升齒面抗點蝕能力，設計人員應在加工時滲碳猝火處理齒面，選擇科學的變為系數，提高潤滑油的黏度。但為了避免齒面過硬、芯部過小以及引起磨削裂紋問題，應保證合理的滲層深度。

四是優化齒形，齒輪軸使用較大的變位系數，配湊中心距進行正變位，改善齒根彎曲應力。刮板運輸機頻繁啟動，沖擊荷載較大，為了提高齒輪接觸強度與彎曲強度，應優化齒形設計。適當增加壓力角會顯著提高齒輪彎曲強度與齒面接觸強度，在改善齒面潤滑程度的基礎上，提高抗膠合與承載能力，在減速器設計時應合理使用此種方法。同時，也可以采用齒輪修行措施，改變齒輪齒向和齒闊修形，減小齒面接觸應力，避免因應力過大引起齒面點蝕問題。

五是強度設計，工作人員應強化處理齒輪表面，煤礦刮板運輸機工作時，齒輪需要承受較大壓力，考驗著齒輪硬度、強度、韌性以及拉力等。此時應利用滲透猝火技術處理齒輪表面，增強齒輪芯部強度，或者利用小球撞擊齒輪，保證受力強度，合理選擇潤滑油可以降低齒輪表面磨損力，工作人員應注意科學選擇，避免因外力因素導致齒輪失效問題。除此之外，設計時還應保證每一級齒輪等強度設計，保證受力均勻，合理延長使用壽命。

六是選擇合適的齒輪材料，盡可能選擇強度高、耐磨及韌性較好的材料，優化設計工藝參數，保證齒輪的實用性。相較20 CrMnTi和20CrNiMo兩種材料，高強度滲碳鋼17 CrNiMo6材料具備較好的韌性與強度，可以避免齒輪失效。為了保證齒輪強度，提高機械齒輪韌性，還可以增加合金元素。

3.2 改進加工工藝

齒輪件加工期間需要使用滲碳猝火技術，但使用此技術會改變高性能合金鋼內部微觀結構，將晶格形狀由面心立方形，改變為體心立方形，增大了體積與齒輪表面的拉應力。齒輪表面受到拉應力與外荷載時，會出現裂紋，在磨削加工與滲碳猝火處理后，改變內部微觀結構，齒輪件材料內部會產生大量殘余應力。在交變應力與內應力的雙重作用下，齒輪表面出現裂紋，長時間后殘余應力逐漸釋放，裂紋逐步擴散，嚴重影響了齒輪件的穩定性。

噴丸技術需要使用數量極多且粒徑較小的鋼丸，通過噴丸設備直接噴射至材料表面，產生沖擊荷載，在材料表面形成塑性變形，保證熱處理材料后可以充分釋放內部殘余應力，使得表面可以形成微小凹坑，轉變材料表面的拉應力，改變為壓應力。同時，在齒根部采用噴丸技術，還可以保證熱處理期間氧化物比例的合理性，提高齒面接觸強度與齒輪彎曲強度。因此，應將噴丸技術合理應用至刮板運輸機減速器圓柱齒輪中與圓錐齒輪中，包括下料、鍛造、正火、機加工、滲碳猝火、低溫回火、齒根噴丸強化以及磨削加工等各個流程。工藝使用期間應合理控制溫度，保證加工工藝的冷熱交換，提高齒輪的承載能力[1-3]。

4 結語

減速器是刮板運輸機關鍵的運行構件，直接影響著運輸與開采效果，決定著煤礦礦井的開采綜合效益。對此，煤礦企業管理人員應充分重視刮板運輸機齒輪失效問題，組織專業人員針對性分析研究，總結以往生產經驗，嚴把加工質量關，優化加速器齒輪，定期維護，提高運行性能，避免齒輪過早失效。