茆亮亮

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.淮北礦業(yè)集團(tuán) 設(shè)備管理中心，安徽 淮北235000）

0 前言

由于客觀條件的限制，我國(guó)礦山機(jī)械事故率一直較高，而傳動(dòng)齒輪失效是機(jī)械故障最主要的一種形式。 一方面，我國(guó)煤炭以地下開采為主，所處的工作環(huán)境十分惡劣，如粉塵多、濕度高、空氣壓力大（與地面相比）等，在此條件下礦山機(jī)械容易遭到腐蝕，從而減小使用壽命；另一方面，煤炭生產(chǎn)過程中多采用倒班制，一天24 小時(shí)內(nèi)礦山機(jī)械基本處于工作狀態(tài)，其生產(chǎn)特殊性使得機(jī)械設(shè)備的工作時(shí)間長(zhǎng)、工作負(fù)荷較大、因此機(jī)械零部件容易摩損。此外，人為因素也是導(dǎo)致機(jī)械故障的部分原因，如不注意齒輪日常維護(hù)等。

1 煤礦機(jī)械中齒輪失效的形式

常見于以下幾種：

1）磨損。 煤礦機(jī)械工作的對(duì)象為不同地質(zhì)條件的煤巖體，所以作業(yè)強(qiáng)度大，齒輪載荷高，所以容易造成齒輪的磨損，根據(jù)磨損產(chǎn)生原因的不同，可以將磨損類型分為正常磨損、中度磨損、磨料性磨損（擦傷）、疲勞磨損（點(diǎn)蝕）、干涉磨損、膠合等。 磨損屬于齒輪的緩慢損耗，在齒輪壽命期內(nèi)， 存在一定程度的磨損并不會(huì)影響其正常的使用性能，一般來講，磨損量不能超過維修標(biāo)準(zhǔn)。

2）表面疲勞。 通常情況下，齒輪的表面或表面下會(huì)存在一定的材質(zhì)初始裂紋，當(dāng)齒輪不斷地受到交變應(yīng)力的反復(fù)作用，材料就會(huì)產(chǎn)生疲勞，當(dāng)應(yīng)力超出了材料的疲勞極限，這些初始裂紋就會(huì)開始擴(kuò)展，從而形成凹坑，或者產(chǎn)生金屬的移動(dòng)，而且這些凹坑還會(huì)經(jīng)常增大尺寸，以及合并。 根據(jù)表面疲勞產(chǎn)生的原因，可以分為破壞性點(diǎn)蝕和疲勞剝損兩種類型。

3）塑性流動(dòng)?？煞譃樗苄宰冃?、起波紋和起皺三種類型。塑性變形指的是輪齒較軟齒部分金屬的塑性變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)飛邊、齒頂變圓，造成主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的齒面失去正確的齒形；起波紋是指在齒面上形成外觀呈魚鱗狀的波紋，波紋方向與滑動(dòng)方向垂直。 多見于表面淬火的小齒輪上。 起皺是指齒面出現(xiàn)呈人字形或魚尾狀的皺紋，皺紋沿滑動(dòng)方向。

4）斷裂。斷裂意味著齒輪徹底失去效用，根據(jù)產(chǎn)生斷裂的原因，可以將斷裂分為疲勞斷裂、磨損斷裂、超負(fù)荷斷裂、磨削裂紋、以及淬裂等幾種。

2 齒輪失效原因分析

煤礦機(jī)械設(shè)備中齒輪的失效將直接影響機(jī)械效能的發(fā)揮，造成嚴(yán)重的后果。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，齒輪的失效原因主要有以下兩個(gè)方面：

1）制造加工。 在齒輪的制造加工過程中，如果沒有嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施，或者制作工藝上有缺陷，也會(huì)造成齒輪制造質(zhì)量達(dá)不到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。 例如大齒輪在鑄造中存在化學(xué)成分偏差、非金屬夾雜物、氣孔、砂眼等缺陷；忽視鍛造比要求，降低了鍛造齒輪的材質(zhì)性能；齒面硬度由于熱處理質(zhì)量不過關(guān)而達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

2）安裝使用。 煤礦機(jī)械設(shè)備的安裝質(zhì)量不穩(wěn)定，無法達(dá)到齒輪安裝的技術(shù)要求。 例如齒輪軸中心線的平行度、水平度、中心距、輪齒嚙合間隙、 接觸面積以及軸承安裝等安裝問題都會(huì)引起齒輪的工作壽命。另外在使用過程中，潤(rùn)滑油脂達(dá)不到技術(shù)要求，或者漏油、缺油，以及不能定期清洗減速箱和齒輪，更換油脂，都會(huì)使齒輪超出其承載能力，縮短使用壽命。

3 提高齒輪使用的措施

礦山機(jī)械正常工作中容易出現(xiàn)傳動(dòng)齒輪承載負(fù)荷超載的情況，造成齒輪失效，因此不利于煤炭安全生產(chǎn)。 一般而言，可在設(shè)計(jì)、技術(shù)等方面對(duì)其改造，并應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中加強(qiáng)對(duì)傳動(dòng)齒輪的常規(guī)檢查。

3.1 煤礦機(jī)械齒輪的短圓柱滾子的應(yīng)用

齒輪傳動(dòng)輪軸承采用短圓柱滾子或自潤(rùn)滑軸承是解決小直徑齒輪軸承設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)的有效途徑。由于在煤礦生產(chǎn)過程中需要消耗大量的電力資源對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行科學(xué)控制，煤礦生產(chǎn)中的能耗大多集中在電機(jī)設(shè)備中，采取煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)控制可以有效解決電機(jī)的高消耗低效益的問題，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。 在這個(gè)過程中最重要的是應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理，在生產(chǎn)控制過程中，煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)得到了廣泛的應(yīng)用。煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)可以有效的提升工作效率，減少能源消耗。

3.2 煤礦機(jī)械齒輪的短圓柱滾子的結(jié)構(gòu)

用輪內(nèi)孔充當(dāng)軸承滾子的外圈滾道，為保證多排圓柱滾子有良好的潤(rùn)滑，采用在輪齒根處鉆幾個(gè)直通排與排之間小孔和在擋環(huán)圓周上開設(shè)潤(rùn)滑油孔的方法。煤礦機(jī)械齒輪存在阻力較大、單位運(yùn)輸量較少，但是功率消耗大，牽引電機(jī)運(yùn)輸過程存在運(yùn)輸間斷、生產(chǎn)消耗較大的問題，煤礦開采運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)延用煤礦機(jī)械齒輪以此減少電能消耗。 為減少煤礦機(jī)械齒輪損耗，首先需要畫出電氣設(shè)計(jì)圖以及繼電器柜的布局，這樣才可以安裝調(diào)試，方便修改控制。 但是使用煤礦機(jī)械齒輪，潤(rùn)滑油能順暢地進(jìn)入密集的圓柱滾子間。煤礦機(jī)械輪內(nèi)圈與軸均充當(dāng)了軸承滾道，這樣就對(duì)輪和軸除要求有高的加工質(zhì)量外，還要有很高的熱處理硬度。

3.3 煤礦機(jī)械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量的確定

煤礦機(jī)械的短圓柱滾子的型號(hào)、直徑和長(zhǎng)度等參數(shù)可在軸承樣本上選取。煤礦機(jī)械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量選擇模型要具有估計(jì)歸納的最小錯(cuò)誤，并且重新設(shè)定模型在煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。 煤礦機(jī)械齒輪的短圓柱滾子數(shù)量的典型選擇中使用k=10。 雖然每次擁有的是數(shù)據(jù)1/k，但計(jì)算還是比較貴的相對(duì)于不運(yùn)用交義驗(yàn)證，因此需要訓(xùn)練每一個(gè)模型k 次。 然而k =10 是通常的選擇，在真正的問題研究中數(shù)據(jù)往往是缺乏的，有時(shí)我們會(huì)用一種極端的選擇k = m，目的是每一次盡可能的避免無數(shù)據(jù)狀態(tài)。 計(jì)算結(jié)果取整數(shù)部分舍去的小數(shù)部分在0.2 左右，如不符合，可修正軸承孔內(nèi)徑。

3.4 煤礦機(jī)械齒輪的自潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用

煤礦機(jī)械齒輪的滑動(dòng)軸承有抗沖擊、振動(dòng)性好、定心精度高、徑向尺寸較小等優(yōu)點(diǎn)。 滑動(dòng)軸承主要的失效形式為磨損，防止失效的關(guān)鍵在于能否保證軸頸和軸瓦間形成一層邊界油膜。煤礦機(jī)械齒輪的自潤(rùn)滑軸承可以任意改變功能性間隔而不用真正改變?nèi)魏斡幸饬x的東西。當(dāng)壓強(qiáng)P 較小時(shí)，即使P 與Pv 都在許用范圍內(nèi)，也可能因滑動(dòng)速度v過大而加劇磨損。采用短圓柱滾子或自潤(rùn)滑軸承是解決小直徑齒輪軸承設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)的有效途徑。 機(jī)械齒輪直接影響機(jī)械設(shè)備的使用性能，承受外部載荷，僅有周向壓縮應(yīng)力把主軸受力傳遞給承力元件，機(jī)械內(nèi)部沒有支環(huán)，在大型礦井中，煤炭機(jī)械設(shè)備工作量大，保證安全生產(chǎn)，機(jī)械齒輪的工作構(gòu)件、受力情況等均與所裝配的工作元件有關(guān)。

4 結(jié)語

傳動(dòng)齒輪在礦山機(jī)械中應(yīng)用較廣，研究分析其失效形式和故障原因可以明顯提高機(jī)械工作效率并顯著減小機(jī)械事故率，這與煤炭企業(yè)關(guān)于“安全、高產(chǎn)、高效”的生產(chǎn)理念是一致的，也是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

［1］ 張瀟云,周新建.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009(23).

［2］胡延平.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析及改進(jìn)措施[J].江西煤炭科技,2010(3).

［3］陳強(qiáng).淺析煤礦機(jī)械中齒輪失效形式及對(duì)策[J].工藝與裝備,2012(01).