煤礦機械傳動齒輪失效形式及改進(jìn)措施

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摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活生產(chǎn)對于煤炭的需求量越來越大，對煤礦開采工程的要求越來越高。作為煤礦生產(chǎn)的機械設(shè)備，在復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境下因為外界因素的影響而可能出現(xiàn)傳動齒輪失效的現(xiàn)象，最后會導(dǎo)致機械設(shè)備運轉(zhuǎn)停止，影響設(shè)備的安全運行，影響煤礦開采工作的安全和效率。鑒于此，有必要對煤礦機械設(shè)備內(nèi)部傳動齒輪進(jìn)行分析研究，探討齒輪失效的主要形式和原因，然后采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。本文將結(jié)合陜西某煤礦，對該煤礦在生產(chǎn)作業(yè)中機械設(shè)備傳動齒輪失效形式、原因等進(jìn)行具體分析，然后給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：煤礦機械設(shè)備；傳動齒輪；失效形式；原因；改進(jìn)措施

1煤礦機械設(shè)備傳動齒輪失效形式

本文以陜西某煤礦為例，據(jù)調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)該煤礦需要長時間井下作業(yè)，鑒于井下作業(yè)的惡劣環(huán)境，對各種機械設(shè)備的要求均很高。作為機械設(shè)備最重要的組成部分，齒輪承擔(dān)著機械能傳遞、使設(shè)備運行、使開采工作正常運行的作用?？紤]到該煤礦開采作業(yè)時井下空間小、粉塵聚集，對于齒輪的破壞作用很大，且還會受到人為因素的影響，因此出現(xiàn)傳動齒輪失效的現(xiàn)象比較常見，下文對該煤礦傳動齒輪主要的失效形式進(jìn)行分析討論。

1.1齒面疲勞

齒面疲勞指的是在齒輪的表面出現(xiàn)了裂紋，主要特征是金屬的移動與凹坑，并使凹坑合并或使尺寸增大，具體有齒面點蝕和疲勞剝損2種。其中齒面點蝕是指在齒輪運行中在高度接觸下，齒輪表面因為接觸應(yīng)力較大且超出了正常值，在超荷載影響下就會出現(xiàn)裂紋。比如齒輪節(jié)線就是最早出現(xiàn)的裂紋部分，在持續(xù)接觸應(yīng)力作用下齒輪表面上麻點應(yīng)力增大，齒輪表面會出現(xiàn)片狀金屬剝落，從而對齒廊產(chǎn)生破壞。關(guān)于疲勞剝損具體是指機械設(shè)備本身存在的潛在破壞，比如有較大顆粒物從齒面上脫落。一般來說，表面淬火的齒輪和硬齒面更容易發(fā)生疲勞剝損問題。

1.2齒面膠合

齒輪膠合是指齒輪在運行過程中受的外界負(fù)荷過大、又沒有正確使用潤滑劑，所以導(dǎo)致齒合區(qū)的溫度快速升高并使其遭到嚴(yán)重的超負(fù)荷破壞，使齒輪接觸面油膜被破壞導(dǎo)致齒輪金屬表面直接接觸在一起且焊接在了一起，使軟齒的位置出現(xiàn)部分凹陷或起溝。

1.3齒面磨損

齒面磨損包括正常磨損、破壞性磨損和干涉性磨損，另外在齒面點蝕、膠合中也存在磨損問題。在該煤礦生產(chǎn)作業(yè)中出現(xiàn)正常磨損的情況較多，具體表現(xiàn)為齒面上金屬之間以一定速率發(fā)生損耗，正常磨損的速度較慢因而對設(shè)備的影響較小，但是在磨損的量超過了規(guī)定范圍時就可能會導(dǎo)致齒輪失效而很難維修。破壞性磨損指的是齒面上已經(jīng)形成了比較嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，已經(jīng)影響了設(shè)備的正常運行，最終可能會縮短設(shè)備的使用壽命。干涉性磨損主要是指設(shè)備在剛使用時因為沒有正確安裝，或者齒輪設(shè)計本身存在不合理之處，就可能會在設(shè)計運行中出現(xiàn)齒輪逐漸被破壞的問題。具體表現(xiàn)是主齒輪上應(yīng)力較大、遭到了嚴(yán)重的破壞，主動齒輪齒根被破壞、出現(xiàn)嚴(yán)重卷起問題就會使齒輪整體遭到完全性損壞。

1.4齒面塑性變形

當(dāng)生產(chǎn)齒輪的材料本身存在強度、硬度上的問題時，將齒輪安裝在機械設(shè)備中，當(dāng)機械設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)下，尤其在超負(fù)荷運行時就很容易在外界擠壓作用下而發(fā)生彎曲變形問題。比如主動輪和從動輪之間就有著動力機械能的傳遞，在相互擠壓的作用下會使齒面出現(xiàn)凹凸不平的情況，當(dāng)變形程度嚴(yán)重以后就可能會對齒輪的正常運行帶來影響。

2齒輪失效具體原因分析

分析該煤礦機械齒輪失效的原因，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)和表面應(yīng)力過于集中有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力集中時會使齒面剪應(yīng)力也增加、齒面出現(xiàn)前后滑動就會出現(xiàn)因擠壓而引起彎曲變形的情況。另外。潤滑不良、化學(xué)腐蝕和磨損等都會引起齒輪失效，同時齒輪設(shè)計時材料的選擇、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計等不合理都可能會引起齒輪失效。

2.1設(shè)計問題

煤礦機械設(shè)備齒輪在設(shè)計時如果相關(guān)參數(shù)和技術(shù)沒有結(jié)合設(shè)備實際情況、煤礦生產(chǎn)對設(shè)備的要求來進(jìn)行，就可能會使設(shè)計缺乏針對性而導(dǎo)致設(shè)計失效，引起齒輪失效問題。同時，沒有采取統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、沒有進(jìn)行準(zhǔn)確的測算、材料選擇不當(dāng)、性能上沒有滿足實際運行要求等都是因為設(shè)計問題而會導(dǎo)致齒輪失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。表1所示有關(guān)齒輪斷齒、點蝕和剝落的影響因素可供齒輪設(shè)計優(yōu)化時綜合考慮。

2.2制造加工問題

在齒輪制造加工中，一方面是材料本身質(zhì)量問題，另一方面在進(jìn)行熱處理時如果質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，無法保證淬火處理后齒面均勻性要求、硬度要求等，都可能會引起淬火裂紋的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致齒輪失效。在制造加工時如果沒有足夠的精度、齒面粗糙就會降低齒輪接觸精度，從而影響齒輪的承載能力、使用壽命等。

2.3安裝使用不合理

對該煤礦齒輪失效問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)齒輪的安裝和使用上也存在不少不合理的地方。比如沒有完善的安裝技術(shù)規(guī)范，在齒輪安裝時只是按照以往經(jīng)驗進(jìn)行，沒有結(jié)合實際生產(chǎn)要求和現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境。在安裝使用時也沒有配置測量儀器，導(dǎo)致安裝不符合技術(shù)和質(zhì)量要求，就可能會引起設(shè)備超負(fù)荷運行、縮短齒輪使用壽命等問題。

3齒輪的改進(jìn)措施

3.1優(yōu)化設(shè)計

針對機械齒輪失效問題，在進(jìn)行齒輪設(shè)計的時候要結(jié)合齒輪使用場合、容易發(fā)生的失效形式來進(jìn)行優(yōu)化。比如要結(jié)合常見失效現(xiàn)象、機械設(shè)備運行環(huán)境來合理選擇齒輪的材料、對外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計等。針對齒輪折斷問題，在設(shè)計時需提高齒輪的抗彎曲度；針對齒輪齒面點蝕的問題，在設(shè)計時要注意提高齒面接觸疲勞強度；針對齒面膠合的問題，則在設(shè)計時要考慮設(shè)備高速運行下如何提高齒面的抗膠合能力。在具體設(shè)計時，重點分析齒輪常見失效形式及其原因，根據(jù)不同機械設(shè)備工作性能要求、環(huán)境要求等確定齒輪的大小，特別要注意提高齒輪的抗疲勞能力、抗彎曲變形的能力、提高齒輪的硬度、強度等性能參數(shù)。特別對于在工作中需要承受重載和沖擊荷載的用于提升、采掘和機械運輸?shù)凝X輪，要求彎曲極限應(yīng)力強度增大到1200MPa，接觸耐久性極限強度則要求增大到1600MPa，這樣才能延長齒輪及其設(shè)備的使用壽命。當(dāng)然，考慮到煤礦機械設(shè)備工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，且需要長時間連續(xù)性作業(yè)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化齒輪的各個設(shè)計參數(shù)，準(zhǔn)確計算荷載、完善計算公式、優(yōu)化選材、應(yīng)用更加先進(jìn)的加工處理技術(shù)，才能使齒輪的硬度、嚙合參數(shù)、潤滑參數(shù)等符合齒輪質(zhì)量要求，提高標(biāo)準(zhǔn)化與系列化程度。

3.2優(yōu)化齒輪制造

在齒輪制造過程中，盡可能多使用鍛鋼制造，或采用鑄鋼齒輪的輪芯鑲嵌鋼齒圈組合件，一般來說鍛鋼鍛造時要求鍛造比大于3，且可使用超聲波探傷設(shè)備對鍛件或鑄件的機械性能進(jìn)行檢查，保證齒輪材料質(zhì)量符合制造要求。此外要注重完善齒輪的熱處理工藝，要求輪齒表層向芯部過渡區(qū)的剪應(yīng)力和剪切強度比應(yīng)盡量小于0.55，可應(yīng)用深層滲碳淬火技術(shù)提高齒輪芯部的硬度。目前碳氮共滲工藝已被廣泛推廣和應(yīng)用，利用該工藝不僅可以提高齒輪表層的硬度而且可以產(chǎn)生壓應(yīng)力，使齒輪強度極限應(yīng)力提高13%以上，從而延長了齒輪的使用壽命。

3.3正確操作

煤礦機械設(shè)備往往需要在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下連續(xù)性工作，所以對于齒輪的傷害較大，為保證齒輪運行的安全穩(wěn)定，在操作時必須嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在安裝齒輪和對齒輪進(jìn)行檢查維修時必須保證齒輪具有足夠的承載強度、適應(yīng)煤礦工作要求。正確的操作不但可避免發(fā)生超承載的問題，而且還能保持表面的光滑度和齒輪的硬度、強度等，將主動輪和從動輪結(jié)合在一起可避免磨損問題的發(fā)生，從而可延長齒輪使用壽命，此外，要做好對煤礦機械設(shè)備齒輪的檢查維修，及時發(fā)現(xiàn)齒輪失效的問題，然后采取恰當(dāng)?shù)拇胧┘右愿恼?/p>

3.4正確使用先進(jìn)的潤滑技術(shù)

要保證齒輪的高效運轉(zhuǎn)，就要對其進(jìn)行定期的潤滑保養(yǎng)。筆者在對陜西某煤礦安全事故的調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)，和機械設(shè)備齒輪失效有關(guān)的事故，除了和操作人員操作不當(dāng)有關(guān)外，其實很大程度上和齒輪潤滑度不足有關(guān)，這還是和現(xiàn)場工作人員沒有養(yǎng)成使用潤滑劑習(xí)慣有很大的關(guān)系。潤滑劑的最終目的是為了減少齒輪磨損等事故，延長齒輪的使用壽命。如果不合理使用潤滑劑，比如對于不同的設(shè)備類型、不同的齒輪型號以及在不同工作環(huán)境下采用同一種潤滑劑，不但無法達(dá)到預(yù)期潤滑效果，而且還可能會加速磨損，從整體上影響齒輪的使用質(zhì)量和壽命。所以為保證煤礦生產(chǎn)效率，就需要結(jié)合科學(xué)理論、經(jīng)驗等針對不同設(shè)備類型、不同型號齒輪和不同的工作環(huán)境采用針對性的合理的潤滑技術(shù)，選用合適的潤滑劑并將對潤滑劑的使用做好登記、輸入到數(shù)據(jù)庫中以備維修時查看。

3.5提高整體設(shè)備的性能

齒輪只是煤礦機械設(shè)備的一部分，想要保證機械設(shè)備正常運行，從而滿足煤礦生產(chǎn)需求，還應(yīng)該從整體上，結(jié)合本煤礦生產(chǎn)實際情況、對機械設(shè)備、技術(shù)等的要求做好對所有機械設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和檢修工作，以提高設(shè)備整體性能。在選購齒輪等設(shè)備零配件時必須安排專門人員選購，且需經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，在設(shè)備安裝、使用時要做好監(jiān)督管理，尤其在使用時可結(jié)合監(jiān)管系統(tǒng)加強對齒輪等零配件運行的監(jiān)督控制，及時發(fā)現(xiàn)異常情況然后采取解決措施。齒輪的運行質(zhì)量還會受到設(shè)備整體質(zhì)量的影響。因為齒輪只是作為傳遞機械能的構(gòu)件，當(dāng)齒輪質(zhì)量過關(guān)但是機械設(shè)備整體存在性能上的問題時，比如一些老式的設(shè)備、設(shè)備質(zhì)量不過關(guān)等，也無法有效發(fā)揮齒輪的作用。

4結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合陜西某煤礦實際生產(chǎn)情況和齒輪運行中出現(xiàn)的故障問題，通過對失效形式的分析和故障原因的分析，提出由于設(shè)計、操作、齒輪生產(chǎn)以及安裝等方面的問題可能會引起齒面疲勞、齒輪磨損等問題。為保證齒輪的正常運作，延長齒輪使用壽命就需要進(jìn)一步深入研究，并針對問題和實際情況提出有效的解決對策。

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作者：王仰毅 馮剛 單位：陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦