摘　要：列举了在煤矿机械设备运行中，机械传动齿轮失效的形式，分析了造成传动齿轮失效的原因。提出了改进途径，对探讨如何提高煤矿机械传动齿轮质量，延长煤矿机械设备的使用寿命，具有非常重要的参考价值。
　　关键词：煤矿机械；齿轮失效；原因；改进
　　随着煤矿机械化、现代化水平的提高，煤矿机械的功率日趋增大。大型、特大型矿井提升机功率达几千千瓦，近20年来，采煤机的功率增加了4～6倍，掘进机的功率增加了2～3倍。功率的增大导致机械的输出扭矩增大，使煤矿机械的原部件特别是传动齿轮的受力增大，由于受煤矿使用条件和机器尺寸的限制，传动齿轮的外形尺寸却没有多大变化。为了提高煤矿机械的可靠性和使命寿命，对其传动齿轮必然要提出更高的要求。
　　1　煤矿机械齿轮失效形式
　　煤矿机械齿轮失效有以下几种形式：
　　1）磨损。包括正常磨损、中度磨损、破损性磨损、磨料性磨损（擦伤）、干涉磨损、腐蚀性磨损、胶合、疲劳磨损（点蚀）烧伤等。
　　2）表面疲劳。由于轮齿表面或表面下存在着材质初始裂纹（裂纹生核），以及交变应力反复作用而造成材料的疲劳，其应力超出了材料的疲劳极限，初始裂纹扩展。其特征是金属的移动和形成凹坑，并可使得坑合并或增大尺寸。
　　3）胶合。由于超负荷或使用润滑油不当，常因啮合区温度升高，在重载作用下轮齿接触面的油膜被挤破，使两轮齿的金属面直接接触并熔焊在一起，引起软齿部分接触面沿滑动方向被撕下而起沟，在低速重载下，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可能产生胶合破坏。
　　4）塑性流动。塑性流动包括塑性变形，起波纹和起皱等。
　　5）断裂。主要有疲劳断裂、磨损断裂、超负荷断裂、淬裂磨削裂纹等。
　　2　齿轮失效原因分析
　　齿轮运转承载后，齿面相互接触并沿齿高方向滚动和滑动，产生很大的接触应力；同时齿轮啮合时，轮齿像悬臂一样在根部承受Z大弯矩，产生很大的弯曲应力，该处的曲率半径及根部形状因素引起的应力集中又明显地增加了这里的Z大表面应力值。这种很大的接触应力使齿面表层内相应产生很大的剪应力，齿面的相对滑动又使滑动前方受压应力，后方受拉应力，齿面又受着拉、压交变应力的作用。除润滑不良、三体（磨粒）磨损、化学腐蚀外，一般地说，若轮齿承受的交变应力超过了材料的疲劳极限或强度极限应力，就会造成上述各种形式的磨损失效。造成煤矿传动机械齿轮失效的原因主要表现在如下几下方面。
　　1）设计方面。煤矿机械齿轮的特点是：多为低速重载齿轮，机械类型较多，井下使用环境和条件较差。齿轮设计工作尚不能完全满足上述特点和煤矿机械化技术发展的需要。齿轮的设计参数的技术要求，与不同煤矿机械的实际工况和使用条件结合不够紧密，针对性不够强，缺乏专项切实的科研和实验。有些标准、规范和测试方法、计算方法不统一、不先进。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（反复应力与全负荷下的循环次数关系曲线）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）制造加工方面。制造加工方面存在缺陷，齿轮制造质量达不到标准和技术要求，甚至产品质量低劣。铸造大齿轮存在化学成分偏析、非金属夹杂物、气孔、砂眼等缺陷。锻造齿轮忽视锻造比要求，使材质性能下降。热处理质量不过关，调质处理的齿面硬度达不到设计技术要求，有的硬度仅为HB170-200左右；淬火处理齿面硬度不均，淬硬层浅，产生淬火裂纹，积存较大内应力。采掘机械齿轮的渗碳层普遍偏浅，硬度梯度偏陡。加工精度不高，中、大模数齿轮加工常出现齿圈的径向跳动和齿形超差，齿面粗糙度不合格，这些都影响着齿轮的接触精度。直接影响着齿轮的承载能力和寿命。

3）安装使用方面。许多煤矿现场安装技术规范不健全，基本上靠经验施工，测量仪器不完备，造成安装质量不稳定，达不到齿轮安装技术要求和质量标准。例如齿轮轴中心线的水平度、平行度、中心距、轮齿啮合间隙、接触面积以及轴承安装等不合格。新装齿轮跑合不充分，往往由于时间紧，跑合流于形式，只要运转声音基本正常就投入使用。达不到跑合的目的和要求，不能定期清洗减速箱和齿轮，更换油脂，选用的润滑油脂不符合技术要求，或者漏油、缺油，采掘机械减速器内常有煤粉、水分、杂物混入。有的违章操作，机械超负荷运转，超过齿轮的承载能力。
　　3　改进途径

齿轮失效直接影响着煤矿机械的效能的发挥，是一个丞待解决的重要问题，下面提出几种改进途径。
　　1）设计方面。煤矿机械齿轮在不加大外形尺寸的条件下，如何提高其强度和寿命是急待解决的问题，特别是承受重载和冲击载荷的提升的采掘运输机械齿轮，其弯曲极限应力强度增大到1200MPa，接触耐久性极限强度亦增大到1600MPa，需进一步进行科研技术攻关，优化设计参数。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，并提高标准化、系列化程度。
　　2）选择材料方面。齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和工艺性能要求，综合考虑。参考工业发达国家煤矿机械齿轮选用钢材的经验，结合我国实际，宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载的齿轮，采用含Ni的以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材（含Ni量2%～4%）；对于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮，亦可选用无Ni-Mn钢。这些渗碳合金钢的合金钢的禽碳量较低，平均为0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加钢的淬透性（含Mn量以0.4%～0.6%为宜），Cr能增加钢的淬透性和耐磨性，Ni对提高钢的韧性特别有效。应研制、采用新型淬透性好的渗碳齿轮钢（国外称为“H”系列），它具有较窄范围的淬透性带，可保证齿轮变形范围小并达到要求的芯部硬度。应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢（R-H脱气钢）和电渣重熔合金钢，这种钢材的纯度高，具有较好的致密度，含氧、氮和非金属等杂质极少，塑性和韧性高，减少了机械性能和各向异性。用这种钢材制造的齿轮，比普通电炉钢制造的齿轮，其接触和弯曲疲劳寿命可提高3～5倍，齿轮极限荷可提高15%～20%。

3）加工工艺方面。机加工滚齿时，粗、精滚工序要分开，先用滚刀进行粗切，再用专用滚刀进行精滚齿，保持滚刀精度，用百分表控制切齿深度，切齿深度误差应控制在零位附近，精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.03mm。齿形加工一般要达到9级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求，可磨齿后，进行电抛光或振动抛光，提高表面粗糙度，粗糙度好的比粗糙度差的齿轮寿命可提高15%～20%。

4）热处理方面。煤矿机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪切强度的比值，它不能大于0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理Z理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在0.8%～1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到HRC58～62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺，氮的渗人深度一般控制在0.2mm以内，它不但能硬化表层，还能产生压应力。它可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。

5）表面强化处理。对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的Z后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。严格按照设计的喷丸工艺要求操作。微小球形弹丸撞击齿轮表面，便会产生很大的残余压应力的薄层，集中在齿面的次表面，它能使齿轮的接触疲劳强度提高30%～50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善能有效地阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多。能有效地抗破坏性冲击；减少点蚀，增大耐久极限；有利于齿轮润滑的改善；可消除各种切齿加工时在齿面留下的连续刀痕以及磨削产生的缺陷（产生残余应力和淬火压力的释放）。根据国外经验。齿轮喷丸比不喷可提高寿命6倍。

6）正确安装运行方面。实践表明，减速器齿轮副的安装精度，对齿轮的承载能力，磨损和使用寿命影响很大。无论是新安装、更换或检修安装，都应按照安装技术规范和标准进行，特别是齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等，必须达到质量标准和技术要求。新齿轮在投运前，应进行充分的跑合。制订运行操作规程认真执行，严禁违章作业，超负荷运转。

7）润滑方面。润滑对于齿轮的磨损失效有着重要的影响，应当引起足够的重视。煤矿机械传动齿轮的特征是：多采用低速重载齿轮，接触应力通常很高，因此轮齿接触表面材质的局部弹性形变不容忽视；同时齿轮在共轭啮合过程中，除切点部位以外，均为滚、滑行运行。这一特征完全符合弹性流体动力润滑（Elasto-Hydro-dynamic Lubrication）理论，简称EHL理论。它与传统的Martin润滑理论的基本区别在于：上述齿轮表面的局部弹性形变量往往比按刚性边界计算的油膜厚度大许多倍，因此对油膜的形状和压力分布带来明显的影响。我们应当按照这个理论和规律进行齿轮润滑参数设计。笼统的认为“润滑对提高齿面强度是有利的”观点并不全面。应该根根据各类润滑工况对齿面强度的影响进行具体分析，才能取得润滑质量的改善。

4　结语

我国煤矿机械设备事故率多的现状一直困扰着煤炭生产和运输，是一个亟待解决的重要问题，其中机械齿轮的失效是造成煤矿机械设备不能正常运行的主要原因。因此，对各种齿轮的失效形式及原因的分析和讨论，对改进煤矿机械设备事故率多的现状有非常重要的现实意义。
 

来源：《江西煤炭科技》2010年第3期