煤礦機械傳動齒輪失效形式及改進措施
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摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(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、原因等進行具體分析，然后給出相應(yīng)的改進建議。
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。考慮到該煤礦開采作業(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，另一方面在進行熱處理時如果質(zhì)量不達標(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齒輪的改進措施
3.1優(yōu)化設(shè)計
針對機械齒輪失效問題，在進行齒輪設(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)進行，在安裝齒輪和對齒輪進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正確使用先進的潤滑技術(shù)
要保證齒輪的高效運轉(zhuǎn)，就要對其進行定期的潤滑保養(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
