機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的改進(jìn)方法

黃燕 淮河能源股份有限公司，朱集東礦

一、設(shè)計(jì)

機(jī)械齒輪，特別是承受重載和沖擊載荷的提升和采掘運(yùn)輸機(jī)械齒輪，其彎曲極限應(yīng)力強(qiáng)度增大到1200 MPa，接觸耐久性極限強(qiáng)度亦增大到1600 MPa，如何在不加大外形尺寸的條件下提高其強(qiáng)度和壽命，需進(jìn)一步進(jìn)行科研技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括載荷的準(zhǔn)確計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算公式的修正、優(yōu)化選材、優(yōu)化齒形結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的加工和處理工藝、提高表面光潔度、合理的硬度和嚙合參數(shù)、有效的潤(rùn)滑參數(shù)和裝配要求等，提高標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度。筆者認(rèn)為還可以采用以下幾種比較先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：

（1）按照GB3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力的計(jì)算方法》和有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用CAD進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計(jì)算和齒輪結(jié)構(gòu)方案的類比，選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

（2）利用保角映射和有限元法等方法分析齒根彎曲應(yīng)力，采用較大半徑的齒根過(guò)渡圓角并采用凸頭留磨滾刀加工外齒輪齒形，以此降低齒根彎曲應(yīng)力集中，提高彎曲強(qiáng)度。

（3）根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)分析輪齒的嚙合形變，采用齒頂修緣，修緣線是采用較大壓力角的漸開線；采用齒面噴丸處理等工藝來(lái)提高輪齒的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度。

（4）根據(jù)彈流潤(rùn)滑理論研究齒輪潤(rùn)滑狀態(tài)后，采用極壓添加劑的高粘度齒輪潤(rùn)滑油來(lái)改善齒輪的潤(rùn)滑狀態(tài)。

二、選材

齒輪材料的選擇，要根據(jù)強(qiáng)度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。結(jié)合我國(guó)實(shí)際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對(duì)于承受重載和沖擊載荷的齒輪，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材（含Ni量2%～4%）；對(duì)于負(fù)載比較穩(wěn)定或功率較小、模數(shù)較小的齒輪，亦可選用無(wú)Ni的Ni-Mn鋼。這些滲碳合金鋼的含碳量較低，平均為0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加鋼的淬透性（含Mn量以0.4%～0.6%為宜），Cr能增加鋼的淬透性和耐磨性，Ni對(duì)提高鋼的韌性特別有效。應(yīng)研制、采用新型淬透性好的滲碳齒輪鋼（國(guó)外稱為“H”鋼系列），它具有較窄范圍的淬透性帶，可保證齒輪變形范圍小并達(dá)到要求的芯部硬度。應(yīng)盡量選用冶金質(zhì)量好的真空脫氣精煉鋼（R—H脫氣鋼）和電渣重熔合金鋼，這種鋼材的純度高，具有較好的致密度，含氧、氮和非金屬雜質(zhì)極少，塑性和韌性好，減少了機(jī)械性能和各向異性。用這種鋼材制造的齒輪與普通電爐鋼制造的齒輪相比，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3～5倍，齒輪極限載荷可提高15%～20%。

三、加工工藝

機(jī)加工滾齒時(shí)，粗、精滾工序要分開，先用滾刀進(jìn)行粗切，再用專用滾刀進(jìn)行精滾齒，保持滾刀精度，用百分表控制切齒深度，切齒深度誤差應(yīng)控制在零位附近，精滾齒滾刀的齒形誤差應(yīng)不大于0.03 mm。齒形加工一般要達(dá)到9級(jí)精度。齒面粗糙度必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可在磨齒后，進(jìn)行電拋光或振動(dòng)拋光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齒輪的壽命比粗糙度差的可提高15%～20%。

采用齒面修形、齒形修緣和挖根大圓?。ù髨A弧齒根）新技術(shù)（包括倒角、磨光、修圓），能消除或減輕嚙合干涉和偏載，提高齒輪的承載能力，使齒根應(yīng)力集中降低，齒輪的彈性柔度增大。對(duì)齒形進(jìn)行修飾（磨齒、剃齒、研齒），齒輪的接觸極限應(yīng)力可提高15%～25%。對(duì)齒作縱向修形（修齒腹），齒輪的壽命可提高2倍，彎曲應(yīng)力可減少17%～23%，并可降低噪聲。當(dāng)切齒刀具的硬度大于工件硬度的2～5倍以上，并有較好的韌性和耐磨性時(shí)，切削效果較好。硬齒面齒輪常采用磨削法和刮削法加工，齒胚經(jīng)多次熱處理和切削加工。

四、熱處理

煤礦機(jī)械齒輪的承載能力不僅取決于表面硬度，還取決于表層向芯部過(guò)渡區(qū)的剪應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的比值，它不能大于0.55。深層滲碳淬火是這種齒輪硬化處理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，較小的過(guò)渡區(qū)殘余拉應(yīng)力和充足的硬化層深度。齒面含碳量一般控制在0.8%～1%為宜，由齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。滲碳齒輪經(jīng)過(guò)淬火和回火，表面硬度應(yīng)達(dá)到HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘余內(nèi)應(yīng)力。推廣碳、氮共滲新工藝，氮的滲入深度一般控制在0.2 mm以內(nèi)，它不但能硬化表層，還能產(chǎn)生壓應(yīng)力，可比單純滲碳齒輪的強(qiáng)度極限應(yīng)力提高13%以上，壽命可提高1倍。熱處理后，尚需進(jìn)行油浴人工時(shí)效處理。

五、表面強(qiáng)化處理

對(duì)齒面和齒根進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，通常是齒輪加工的最后一道工序，可在滲碳淬火或磨齒后進(jìn)行。它能使齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度提高30%～50%，使齒根彎曲疲勞強(qiáng)度得到改善；能有效阻止裂紋擴(kuò)展，使實(shí)際載荷比外加載荷小得多；能有效抵抗破壞性沖擊，減少點(diǎn)蝕，增大耐久極限；有利于齒輪潤(rùn)滑的改善；可消除各種切齒加工在齒面留下的連續(xù)刀痕以及磨削產(chǎn)生的缺陷（產(chǎn)生殘余應(yīng)力和淬火壓應(yīng)力的釋放）。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，齒輪噴丸比不噴丸壽命可提高6倍。

六、正確安裝運(yùn)行

實(shí)踐表明，減速器齒輪副的安裝精度，對(duì)齒輪的承載能力、磨損和使用壽命有很大影響。無(wú)論是新安裝、更換或檢修安裝，都應(yīng)做到嚴(yán)格、精細(xì)，按照安裝技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，特別是齒輪軸心線的水平度、平行度、中心距、軸承間隙、齒輪側(cè)隙、頂隙、接觸區(qū)域或軸向竄動(dòng)量等，必須達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。新齒輪在投運(yùn)前，應(yīng)進(jìn)行充分的跑合。制訂運(yùn)行操作規(guī)程，認(rèn)真執(zhí)行，嚴(yán)禁違章作業(yè)，超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

按照制造廠的減速器使用說(shuō)明書和維護(hù)檢修規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行科學(xué)維護(hù)管理。定期監(jiān)測(cè)齒輪磨損狀況，化驗(yàn)潤(rùn)滑油，開展故障診斷，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。定期清洗減速箱和齒輪，更換油脂，保持油量，防止煤粉、水份、異物混入減速器內(nèi)。改進(jìn)減速器密封，防止漏油。

七、潤(rùn)滑

潤(rùn)滑對(duì)于齒輪的磨損失效有著重要的影響，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪的特征是：多采用低速重載齒輪，接觸應(yīng)力通常很高，因此輪齒接觸表面材質(zhì)的局部彈性變形不容忽視；同時(shí)齒輪在共軛嚙合過(guò)程中，除切點(diǎn)部位以外，均為滾、滑運(yùn)行。這一特征完全符合彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（EHL）理論。它與傳統(tǒng)的Martin潤(rùn)滑理論的基本區(qū)別在于：上述齒輪表面的局部彈性變形量往往比按剛性邊界計(jì)算的油膜厚度大許多倍，因此對(duì)油膜的形狀和壓力分布帶來(lái)明顯的影響。我們應(yīng)當(dāng)按照這個(gè)理論和規(guī)律進(jìn)行齒輪潤(rùn)滑參數(shù)設(shè)計(jì)。要根據(jù)不同的齒輪，合理選用潤(rùn)滑油種類。對(duì)于傳遞負(fù)荷較輕的（齒面應(yīng)力小于4000 kg/cm2）齒輪，宜選用純礦物油，如機(jī)械油、一般齒輪油、汽缸油等；對(duì)于傳遞中等負(fù)荷（齒面應(yīng)力4000～6000 kg/cm2）的齒輪，宜選用工業(yè)齒輪油；對(duì)于傳遞重負(fù)荷、多沖擊和周圍環(huán)境多污染的齒輪（如煤礦采掘機(jī)械齒輪），宜選用極壓齒輪油。潤(rùn)滑油粘度選擇的主要依據(jù)是齒輪的切線速度?？筛鶕?jù)產(chǎn)品使用說(shuō)明書推薦的粘度范圍選擇。當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃，或齒輪經(jīng)常承受沖擊負(fù)荷，或齒輪是整體淬硬材料時(shí)，宜選用較高粘度值；當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，宜選用較低粘度值。