张兆营
山东省田庄煤矿有限公司 山东济宁 272103
摘要：在我国经济发展的过程中，煤炭资源一直是其中重要的能源，发挥着重要的基础作用。随着科技水平的提高，煤炭资源开采业逐渐实现了机械化，机械设备的质量成为关系着开采质量的重要因素。在我国大多数煤炭开采中，很多都是在地下进行的，因此机械设备会长时间处于粉尘和噪音污染中，工作强度的高负荷，进一步加大了机械设备的应用风险。其中，机械设备出现的齿轮失效问题，就存在很大的安全风险、本文主要对控制煤矿机械齿轮失效的有效方式进行分析探究，了解齿轮失效的原因，并进一步提出解决措施。
关键词：煤矿机械；齿轮失效；控制方式；对策
随着煤矿机械化程度的提高，保证机械运行安全可靠也成为了重要的工作。特别是在煤矿机械中常常采用的齿轮，主要用来传送任意两根轴之间的运动和动力，其使用期限较短，在其发生失效的情况下，最终其功能难以有效发挥，会对开采作业和开采安全产生不良影响。因此，一定要加强对齿轮失效形式和原因的认识，了解设备本身存在的缺陷，以尽量提高设备的使用效率，保证煤矿开采作业的安全高效。
1.煤矿机械中齿轮失效的主要形式分析
在煤矿机械化过程中，随着机械水平的提高，其功率也在逐渐增加。要保证机械应用的可靠性、延长其使用寿命，就要保证齿轮的质量。首先要明确齿轮失效的集中常见形式：
1.1轮齿折断失效
轮齿这段主要有两种形式，即疲劳折断和过载折断，疲劳折断指的是在齿轮传动的过程中，在受载时，轮齿会产生较大应力，当受力达到其疲劳极限时，齿根的圆角处就会产生疲劳裂纹。在裂纹扩展的过程中，齿轮也会因为疲劳而被折断，形成齿轮失效；而过载折断指的是在齿轮工作的过程中，会受到强大的冲击载荷或者过载作用，最终导致齿轮折断，这种情况产生的断面比较粗糙，且其断口位置也不固定。
1.2表面疲劳失效
表面疲劳也是齿轮失效的常见形式，在轮齿的表面和表面的下方会产生裂纹生核，随着金属的移动，在之前存在凹坑的基础上会使凹坑合并或增大其尺寸。第一是齿面点蚀的问题，齿轮的工作面会在运行中长期接触应力，其表面金属会发生小块脱落的问题，使得齿面失效。其产生原因就是在齿轮滚滑中，互相滚滑的接触面会产生初始裂纹，在润滑油影响下，追越面上的裂纹会将其挤入裂缝，裂缝进一步扩展到一定限度，就会出现小块剥落的点蚀现象；第二就是疲劳剥损的问题，在煤矿机械使用过程中，疲劳剥损往往不容易被察觉，会产生较大的颗粒或者屑片，并沿着齿顶或者顶棱掉下。常见的硬齿面和表面淬火处理的齿轮主要都是因为齿面下缺陷引发，或者对其热处理产生了较高应力导致。
1.3磨损失效
在煤矿机械使用中，齿轮失效的常见形式还有磨损问题，首先是正常磨损，由于在齿轮的表面会有金属，在运动中金属之间会发生摩擦，并以一定速度损耗，造成正常范围内的磨损问题。这种磨损情况是正常范围内的，会在对齿轮进行设计时，考虑在其使用寿命中，通常不会产生不良影响；其次是破坏性的磨损，这种磨损会造成严重后果，齿面的损伤和齿廓发生严重变化时，就会破坏其运转平稳，减少齿轮使用寿命；最后是干涉磨损问题，即在设备使用初期，安装齿轮的方法不恰当，导致齿轮接触存在问题，主齿轮承担了大部分应力，加快其磨损，主齿轮被掘起齿根，而齿顶也会严重卷起，齿轮被严重破坏。
1.4齿面胶合失效
齿轮在进行低速重载大功率传动的情况，或者在高速运转过程中，由于齿面的温度较高，或者啮合齿面比压较大，使齿面发生直接接触，而产生半干摩擦或者干摩擦，在摩擦温度进一步提高时，齿面的局部就会发生固有熔焊粘附现象，并顺着滑动方向产生撕裂。这种情况下，两齿面之间的表层材料转移，形成齿面胶合失效。
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2.煤矿机械齿轮失效原因分析
煤矿机械齿轮失效产生的原因是多方面的，其表现形式各异，主要造成失效的原因有以下几方面：
2.1初始设计问题
在煤矿机械中，采用低速重载齿轮的情况较多，而其工作条件和环境较为恶劣。因此，齿轮的设计必须结合煤矿机械的长远发展进行。然而在目前的齿轮设计中还难以达到这一要求，一些齿轮的相关设计参数和技术指标，无法完全适用于煤矿机械，难以满足其使用要求。此外，齿轮零件指标、运算方式等都需要进一步提高，比如接触疲劳强度运算，应该是在受到交变应力的前提下，根据其断裂循环次数，得到S-N曲线，以此为依据进行设计。但实际中在受到多种因素干扰下，导致试样和产品表面质量会存在一定的差异。
2.2制造加工方面的问题
在齿轮制造加工中存在问题，如果制造出的齿轮质量没有达到相应指标，就会存在多方面缺陷。其中，锻造比是非常重要的一个方面，对产品的材质性能有很大影响。同时，如果对产品的热处理不恰当，在调质处理欠缺的情况下齿面硬度也会难以达到设计标准。以采掘机械为例，其采用的齿轮主要有以下几方面的特点，第一是渗碳层不深，且不同部位存在较大的硬度差别；第二是加工精度欠佳，特备是在加工较大模数的齿轮时，会产生齿形超差和径向跳动的问题，再加上齿面粗糙程度不合乎标准，也会降低齿轮的接触精度，同时影响到齿轮的使用寿命和承载性能。
2.3安装使用中存在问题
目前，在很多煤矿现场都存在机械安装准则与技术缺乏的情况，其安装主要依赖施工经验。同时，相关测量仪器的缺失，也难以保证安装质量。从技术层面而言，齿轮的接触面积、轴中心线以及水平度等都要符合相关标准。如果无法最大限度实现跑合，在时间有限的情况下，难以实现规范跑合，也达不到跑合目的。此外，没有对齿轮和减速箱进行清洁，也会存在润滑油脂使用不当等问题。比如在采掘机械减速器中进入杂质，一些违规操作会加大运行功率，导致齿轮无法承受大的力矩。
3.控制煤矿机械齿轮失效的有效方式
3.1实现加工工艺精细化
在进行齿轮加工时，要将粗加工与精加工工序分开，先试用滚刀进行粗加工，再使用专用的滚刀进行精加工。在此过程中，要保证滚刀的精度，将切齿的深度误差控制在零位附近。同时，精滚刀的齿形误差要保持在0.03mm，并达到较高等级精度。还要在齿轮加工和组装后进行加载跑合，保证齿轮的接触精度和使用质量。
3.2有效改善热处理技术
煤矿机械齿轮的承载能力，不仅与其表面硬度相关，表层向芯部过渡区剪应力与剪切强度的比值也对其有一定影响。要有效降低这一比值，就要提高芯部硬度，需要通过深层渗碳淬火实现，以得到较小的过渡区残余应力和足够的硬化层深度。在经过对渗碳齿轮的淬火和回火后，可以有效消除齿轮表层的残余应力。
3.3严格进行表面强化处理
对齿面和齿根进行喷丸强化处理，可以有效提高齿轮接触疲劳轻度，改善齿根的弯曲疲劳强度。并阻止裂纹的扩展，减小实际负荷，达到有效抵抗破坏性冲击的效果。
3.4完善安装使用环节
首先，在安装中，要正确调整两轴之间的垂直度平行度，保证齿轮啮合间隙适合，避免因其过大或过小的问题始发断齿；其次，要对齿轮进行合理润滑，选择适当的润滑油黏度，且油质要清洁，不能在其中存在杂质，并且在使用过程中要对其过滤，剔除其中的砂粒等杂质；最后，要做好散热工作，特别是封闭齿轮中的传动散热，及时清扫齿轮箱，并加强对其冷却和通风的工作。油量达到大齿轮的三分之一即可，避免太多使内部发热。
结束语：
煤矿机械齿轮的正常工作，是保证煤矿作业安全、高效的重要保障，在较差的环境和大负荷的工作条件下，要提升齿轮的传动质量，就要积极控制其失效问题，加大机械的安全性和使用效率。
参考文献：
[1]王丹.煤矿机械传动齿轮失效分析[J].机械管理开发，2018，(1):176-177.
[2]武永龙.煤矿机械齿轮失效探讨[J].机械管理开发，2017，(9):48-49.
论文作者:张兆营
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/11
标签：齿轮论文; 煤矿论文; 机械论文; 疲劳论文; 应力论文; 磨损论文; 表面论文; 《防护工程》2018年第21期论文;