煤矿机械传动齿轮失效的改进方法

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1齿轮失效原因分析

1.1设计方面

对煤矿机械而言，其基本采用低速重载齿轮，此外，煤矿机械的工作条件以及工作环境都欠佳。煤矿机械结合自身长远的发展，对齿轮提出了相应的要求，然而，这都是齿轮设计工作还无法达到的。现实中齿轮的相关参数与技术指标，还无法完全适用于煤矿机械，即该类齿轮无法胜任煤矿机械的要求。此外，部分齿轮零件指标、运算方式、准则等还有待提高与统一。就像齿轮的某些指标，如接触疲劳强度等，对该强度的剖析运算模式依旧采用过去的Hertz公式，该公式指的是，测试样品在经受交变应力的前提下，根据其断裂循环次数，最终经分析而形成S－N曲线。疲劳设计以该曲线为根据，但是，现实中会有许多相关因素的干扰，这将导致试样和产品的表面质量存有质的区别。

1.2制造加工方面

在制造加工方面也有一定的问题，如制造出来的齿轮质量无法达到相应的参数与技术指标。在制造大齿轮的时候，成品可能存有许多方面的缺陷，如砂眼、化学成分偏析以及气孔等。锻造比是齿轮锻造时需要十分注意的问题，因为其直接关系到材质的性能。此外，没有对产品进行恰到好处的热处理，齿面硬度也由于调质处理方面的欠缺，使产品无法达到相应的设计标准，如一些成品的硬度只有HB17O～HB2O0上下的水平。对齿轮进行淬火处理时，由于其齿面并没有统一的硬度且淬硬层不深，这将导致淬火裂纹，同时存有一定的内应力。就采掘机械来说，其采用的齿轮普遍具有以下特点：一是渗碳层不深，不同部位的硬度差别大；二是加工精度欠佳，在加工较大模数齿轮的时候，会有齿形超差与径向跳动的情况产生，此外，齿面的粗糙水平超出了有关标准，这些因素的综合作用将令齿轮的接触精度降低；另一方面，其对齿轮的使用年限与承载性能也有较大的影响。

1.3安装使用方面

大部分的煤矿现场都欠缺完善的机械安装准则与技术，其极大程度地依赖于经验施工。此外，测量仪器有所欠缺，这就无法实现安装质量的平稳，从技术层次来看，齿轮的安装情况不容乐观，其体现在齿轮接触面积、轴中心线、中心距、水平度和轮齿啮合间隙等方面。新的齿轮安装以后，因为无法最大限度地实现跑合，此外，因为时间有限，跑合趋于表面流程，即倘若有运行的声响，就可以拿来运用了，不能实现跑合的规范与目的，没有对齿轮与减速箱进行规定时间间隔的清洁，造成润滑油脂的使用与选取不当以及缺油等。如采掘机械，经常有杂质、煤粉等物质进入该机械的减速器内，一些违规操作使机械运行功率超过了限额，齿轮无法承受更大的力矩。

2改进途径

2.1设计方面

在限定煤矿机械齿轮大小与形状的前提下，怎样提升该机械的使用年限以及增加其强度，这是令许多学者与工人困扰的难题。改进齿轮对煤矿机械，尤其是采掘运输机械来说，显得非常重要。采掘运输机械由于自身的工作特点，造成了其齿轮要有巨大的承载能力与足够强的抵抗冲击载荷的能力，如该齿轮要经受住1600MPa的接触耐久性极限强度，1200MPa的弯曲极限应力强度。因此，齿轮设计所需的技术含量逐步提升，如何优化设计齿轮显得尤为关键。关于优化设计，其涵盖了优化选材、先进的加工技术、载荷的精准运算、提高齿轮表层光洁水平、有效的润滑参数、优化齿形结构、强度计算公式的修正以及提升整体化、标准化水平等内容。

2.2选择材料方面

选取材料来制作齿轮的时候，先得合理分析该材料是否能满足相关的工艺指标以及强度要求等。借鉴工业水平先进的其他国家并与自身实际情况相结合，得出我国可以选用低碳合金渗碳钢来当作制造齿轮的材料。倘若齿轮要经受冲击与承载，那么应该选取含有镍元素的钢材，该类钢材的成分基本为Ni-Cr－Mo与Ni－Cr的合金渗碳钢；倘若齿轮所需承载的负荷没有太大的波动，或者是模数与功率都不大的齿轮，其选用的材料可以是无Ni－Mn钢。该类渗碳合金钢都具有较低的碳含量，其均值不超过0．2%，在材料所含有的化学元素中，Ni可以增加钢的韧性，Cr可以使钢在耐磨与淬透这两方面的性能得到提升，而Mo、Mn都可以提升钢的淬透性。要探究与开发出具有良好淬透性的渗碳齿轮钢，其淬透性比较紧密，能够实现其在不发生较大变形的前提下而生成一定的芯部硬度。要尽可能采用冶金性能优越的质量好的电渣重熔合金钢以及真空脱气精炼钢，该类材料含有的杂质少，整体致密度比较良好，韧性与塑性也相当优越。此外，其还在一定程度降低了机械性能，提升了各向同性水准。选取该类材料来制造齿轮，其性能会超出一般齿轮，就像在齿轮极限负荷与接触疲劳寿命方面，特殊材质的齿轮性能会比一般齿轮强数倍甚至数10倍。

2.3加工工艺方面

对滚轮进行机械加工的时候，不可将精、粗滚工序混在一起，而是应该分别处理，即在滚刀作用下进行粗切应放在前面的工序，接着进行精滚齿，该过程是为了确保滚刀能有较小的误差，此外，该过程应用的工具是专用滚刀，对于切齿的深度，要求精确在零位左后。此外，切齿深度是通过百分表来调控的，该过程所使用的精滚齿滚刀，其齿形有相应的要求，即误差要在0.03mm以下。通常情况下，齿形加工不得低于9级精度。对齿轮的齿面也有相应要求，如其粗糙度要达到一定的标准，对齿轮进行打磨之后，紧接着进行抛光工序，通常情况下，使用的是振动抛光或者是电抛光，该工序能够提升表面粗糙度，倘若表面粗糙度不够良好，那么该齿轮的使用年限要比粗糙度优越的齿轮寿命少18倍左右。

2.4热处理方面

齿轮芯部过渡区至表层的剪切强度与其表面硬度，这两方面直接与煤矿机械齿轮的承载能力相挂钩。倘若要提升该类齿轮的硬度，最有效的方式就是采用深层渗碳淬火，该方法能够使齿轮芯部的硬度得到相当大的提升。此外，其还可以使齿轮的硬化层达到足够的深度，且在过渡区也不会有过大的残余拉应力。齿轮表面的碳含量也有相应的指标，通常情况下，要求在0.8%~1%这个区间，此外，齿轮内部到表层的硬度要逐步过渡，不能有较大的跨度。回火以及淬火都是渗碳齿轮要经历的工序，这些工序能够让齿轮表层有HRC58～62的硬度，并能在一定程度上降低甚至消除齿轮内存有的残余内应力。氮、碳共渗工艺具有突出的优点，在进行该工艺的时候要对氮量进行一定的调控，即其渗人深度应小于0.2mm，这不仅有压应力生成，且可以令表层得到硬化。经该工序处理的齿轮要比普通渗碳齿轮性能优越很多。由于人工时效处理通常会安排在热处理之后，以进一步提升成品性能。

2.5表面强化处理

在一般情况下，齿轮最后经受的一道工序就是齿根与齿面的喷丸强化处理，磨齿以及渗碳淬火工序一般在该工序之前进行。当齿轮表层经受细微型的球形弹丸的冲击时，在齿轮次表层就会有一薄层出现，且该薄层具有相当高的残余压应力，这使齿轮的接触疲劳强度提升了数10倍，齿根弯曲疲劳强度也得到缓解，这有助于抑制裂纹延展。该工序可以提升齿轮的润滑性能；可以提高齿轮的冲击抵抗能力；能够消除齿轮由于加工所导致的表面缺陷以及相关应力；可以降低点蚀，提升齿轮的耐久性能。通过相关资料可知，没有经过喷丸处理的齿轮，其使用寿命要比经喷丸处理的齿轮短近6倍。

3结语

我国常见的煤矿机械设备事故已经成为妨碍我国煤矿挖掘和运输的重要因素，其中传动齿轮失效是造成煤矿机械设备事故的重要诱因。因此，对煤矿机械设备中传动齿轮失效的形式及原因进行研究，有助于降低煤矿机械设备事故率，保障煤矿从业人员的人身安全。

作者：张金萍单位：白城职业技术学院