機械傳動齒輪失效設計研究

[摘 要]在機械傳動中，齒輪傳動使用范圍很廣，可以用來傳遞任意兩根軸之間的運動和動力，但是齒輪的失效速度也很快，最后導致設備的功能發(fā)揮不夠充分，嚴重影響到煤礦企業(yè)的安全高效運行。本文通過對煤礦機械中各種齒輪的失效形式及原因的分析，不僅能夠使得煤礦機械設備的功能發(fā)揮到極致，同時還能夠對設備本身存在的一些缺點做了很好的補充，這樣可以使得機械設備的使用壽命大幅度提高，對煤礦企業(yè)實現(xiàn)安全高效生產提供了有力保障。

[關鍵詞]煤礦機械；機械傳動；齒輪失效；

中圖分類號：TD407 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）01-0369-01

1、前言

當前，隨著煤礦工業(yè)的機械化和自動化程度的不斷提高，各種大型的采煤機、掘進機和提升機等大功率機械，功率達到了幾千千瓦。功率的增大導致煤礦機械的輸出扭矩隨之增大，但是，煤礦機械的使用條件決定了齒輪的尺寸、模數(shù)等都要受到機械尺寸的限制因此，從提高煤礦機械的可靠性、安全性和機械的使用壽命出發(fā)，對其傳動齒輪的設計和制造提出了更高的要求。在煤礦生產中機械設備又具有以下幾個鮮明特點：第一，工作環(huán)境極其惡劣，機械設備時刻受到粉塵、水汽、有害氣體等的危害；第二，正常工作情況下，條件苛刻，大部分的機械設備是處在負載大、振動強、摩擦厲害、介質腐蝕嚴重的高速環(huán)境下工作；第三，工作時間超長，許多機器都是不分晝夜的連續(xù)性工作；第四，因為環(huán)境惡劣，工況要求高，再者停機時間短，這樣直接使得機械零部件得不到良好的潤滑和維護。

這幾年來，齒輪傳動在煤礦機械中的使用更為廣泛，但是齒輪的失效速度也很快，最后導致設備的功能發(fā)揮不夠充分，嚴重影響到煤礦企業(yè)的安全高效運行。下面就齒輪傳動的失效進行分析。

2、煤礦機械齒輪失效形式

隨著煤礦機械化、現(xiàn)代化水平的提高，煤礦機械的功率日趨增大。為了提高煤礦機械的可靠性和使用壽命，對其傳動齒輪必然要提出更高的要求。下面簡要分析煤礦機械齒輪失效的幾種形式：

（1）表面疲勞

由于輪齒表面或表面下存在著裂紋生核，其特征是金屬的移動和形成凹坑，并可使得凹坑合并或增大尺寸。

第一，齒面點蝕，輪齒在工作時，齒輪之間的接觸為高副接觸，輪齒表面會受到很大的接觸應力。當出現(xiàn)齒面接觸應力比允許應力大時，同時，齒面表層又處在多級載荷作用下，這使得齒面很容易出現(xiàn)裂紋，這些裂紋通常開始于輪齒節(jié)線附近，如圖l所示，就可以清楚的看出。當接觸應力對齒面繼續(xù)發(fā)生作用，這種麻點形成應力的增高，輪齒表面逐漸出現(xiàn)表層金屬的片狀剝落，最終引起齒廓的破壞。

第二，疲勞剝損：對于機械設備而言，疲勞剝損是一種潛在的疲勞破壞，其特征是沿齒頂或頂棱從齒面上脫落下的顆?；蛐计^大。常見于硬齒面或表面淬火的齒輪，起源于齒面下的缺陷，或由于熱處理造成過高的內應力。

（2）磨損

在煤礦機械設備的磨損中，其形式相對來說比較多，主要有以下幾種形式：正常磨損、中度磨損、破壞性磨損、磨料性磨損（擦傷）、干涉磨損、腐蝕性磨損、膠合、疲勞磨損（點蝕）、燒傷等。下面就介紹其中幾種在煤礦機械設備中經常能夠遇到的磨損。

第一，正常磨損：這種磨損是由于齒面上的金屬相互之間以一定的速率緩慢的損耗。這種磨損是在齒輪的設計壽命之內，不影響設備的正常使用情況，但是其磨損量不允許超過維修標準。

第二，破壞性磨損：它是齒面的損傷、齒廓的變化達到非常嚴重的程度，使運轉的平穩(wěn)性受到較嚴重的破壞，齒輪的壽命顯著降低。

第三，干涉磨損：由于在設備的使用初期，對齒輪的安裝不當，當輪齒不合理的或提前接觸時，其大部分的應力都其中在主齒輪上，當隨著設備的運行，對齒輪的破壞由輕到重，嚴重時主動輪齒齒根被掘起，而相配齒輪的齒頂嚴重地卷起，引起齒輪副的完全破壞。

（3）膠合

由于超負荷或使用潤滑油不當，常因嚙合區(qū)溫度升高，在重載作用下輪齒接觸面的油膜被擠破，使兩輪齒的金屬面直接接觸并熔焊在一起，引起軟齒部分接觸面沿滑動方向被撕下而起溝。

3、齒輪失效原因分析

我國煤礦機械設備事故率高居不下，一直是困擾著煤礦生產安全，極大的阻礙了煤礦企業(yè)的發(fā)展。齒輪運轉承載后，產生很大的接觸應力；同時齒輪嚙合時，產生很大的彎曲應力，由于曲率半徑及根部形狀因素等使得該處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，同時這又會引起齒面的剪應力增大，齒面的相對滑動又使滑動前方受壓后方受拉。除潤滑不良、三體（磨粒）磨損、化學腐蝕外，一般地說，若輪齒承受的交變應力超過了材料的疲勞極限或強度極限應力，這樣將會使得齒輪出現(xiàn)以上所介紹的失效形式，以下將分析造成這些失效形式的原因，其中主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）設計方面

在煤礦機械設備的使用過程中，設備的實際工況和使用情況與齒輪的設計參數(shù)和技術要求結合不夠緊密，針對性不夠強，缺乏專項切實的科研和實驗。有些標準、規(guī)范和測試方法、計算方法不統(tǒng)一、不先進。有些齒輪的材質設計選擇不當，性能不好。表1所列對齒輪斷齒、點蝕和剝落有影響的因素，可供齒輪優(yōu)化設計時綜合考慮。

（2）制造加工方面

制造加工方面存在缺陷，齒輪制造質量達不到標準和技術要求，甚至產品質量低劣。熱處理質量不過關，淬火處理齒面硬度不均，產生淬火裂紋，積存較大內應力。加工精度不高，中、大模數(shù)齒輪加工常出現(xiàn)齒圈的徑向跳動和齒形超差，齒面粗糙度不合格，這些都影響著齒輪的接觸精度。直接影響著齒輪的承載能力和壽命。

（3）安裝使用方面

在煤礦企業(yè)當中，普遍存在著一些問題，比如，安裝技術規(guī)范不健全，在安裝過程中基本上靠著工人的工作經驗進行施工，同時測量儀器不完備，達不到齒輪安裝技術要求和質量標準。甚至有的出現(xiàn)違章操作，使得機械設備處于超負荷運轉狀態(tài)，這樣極大的損害了齒輪的使用壽命。

4、結語

綜上所述，我國煤礦機械設備事故率高居不下，一直是困擾著煤礦生產安全，極大的阻礙了煤礦企業(yè)的發(fā)展，這是一個亟待解決的安全問題，傳動齒輪作為機械設備中必不可少的一部分，它的設計水平、制造質量和使用管理水平直接關系著煤礦機械設備的可靠性和安全性，同時也影響到設備的使用年限。通過以上對煤礦機械中各種齒輪的失效形式及原因的分析，不僅能夠使得煤礦機械設備的功能發(fā)揮到極致，同時還能夠對設備本身存在的一些缺點做了很好的補充，這樣可以使得機械設備的使用壽命大幅度提高，對煤礦企業(yè)實現(xiàn)安全高效生產提供了有力保障。

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作者簡介：

巢麗娜，內蒙古呼倫貝爾人，助理工程師，2002年畢業(yè)于湖北省工業(yè)設計學校，現(xiàn)供職于內蒙古易暖科技有限公司