安淑女， 李愛民， 程瓊

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

齒輪傳動是機械傳動中一種可靠的傳動方式，也是機械傳動中應(yīng)用最廣泛的一種傳動形式，可以用來傳遞任意兩根軸之間的運動和動力，同其他機械傳動相比具有承載力大、傳動平穩(wěn)、準確可靠、使用壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、傳遞的功率大、速率范圍較寬等優(yōu)點。目前，齒輪傳動技術(shù)的指標可達到105 kW傳動功率，300 m/s圓周速度，105 r/min轉(zhuǎn)速，齒輪制造直徑為0.001~33 m，單級傳動比可達8以上，傳動效率達0.98~0.995［1］。

齒輪在使用過程中受材質(zhì)、加工精度、熱處理工藝、幾何精度、潤滑狀態(tài)及負荷、轉(zhuǎn)速、環(huán)境等諸多因素的影響，會發(fā)生各種各樣的損傷，致使齒輪失效，縮短齒輪的使用壽命［2］。根據(jù)工作環(huán)境狀況齒輪傳動分為3種形式：開式、半開式和閉式。如機械設(shè)備沒有防塵罩或機殼使齒輪傳動完全暴露在外面，稱為開式齒輪傳動。蜂窩煤球機俗稱蜂窩煤機，該機是以處理好的煤作為原料，通過攪拌，沖壓成蜂窩煤形狀的成型蜂窩煤機設(shè)備。它將煤粉加入轉(zhuǎn)盤上的模筒內(nèi)，經(jīng)沖頭沖壓成蜂窩煤。蜂窩煤機傳動系統(tǒng)使用漸開線齒輪且采用開式傳動。由于露天作業(yè)，風沙大等，齒面常發(fā)生劇烈磨損等而造成失效。分析其失效的原因，并有針對性地采取必要的措施，是保證生產(chǎn)節(jié)約生產(chǎn)成本必不可少的環(huán)節(jié)。

1 蜂窩煤機齒輪失效形式

當機械零件喪失其應(yīng)有的功能時，稱為該零件失效。在蜂窩煤機運行中齒輪無法正常進行工作，就可以判定傳動齒輪失效。

表1 蜂窩煤機齒輪失效形式所占百分比統(tǒng)計%

在傳動裝置中齒輪失效約占失效總數(shù)的60%左右。根據(jù)蜂窩煤機現(xiàn)場的使用情況進行分析，蜂窩煤機上齒輪失效主要是輪齒的失效，從失效類型上來看，主要是煤機齒輪的齒面磨損與折斷，其失效所占百分比如表1所示。然而進一步分析失效原因，74.7%的齒輪失效與使用過程有關(guān)。在所有使用因素中最主要的因素還是連續(xù)過載，25%為過載失效，21.2%為安裝不當引起的失效，16.2%為熱處理不當引起的失效，6.9%為設(shè)計錯誤引起的失效，1.4%為制造缺陷引起的失效，0.8%為材質(zhì)缺陷引起的失效［1］。

2 蜂窩煤機齒輪失效原因分析

2.1 輪齒磨損原因

蜂窩煤球機上的齒輪采用的是漸開線齒輪，其失效形式主要是齒面磨損，齒輪嚙合傳動時，兩漸開線齒廓之間存在相對滑動，在載荷作用下，齒面間的灰塵、硬屑粒會引起齒面磨損。磨損后的齒輪本身失去等速均勻的傳動特點，會產(chǎn)生振動，形成噪聲。造成齒面磨損的原因有黏著磨損與磨粒磨損。

2.1.1 輪齒的黏著磨損

相嚙合的一對齒面在節(jié)線前后存在沿齒面的切向滑動速度，其大小和方向隨著嚙合位置的不同而發(fā)生變化。在輪齒嚙合傳力的過程中，沖擊和偏載等情況頻繁出現(xiàn)，致使齒面接觸不正常，齒面間局部產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力及沿接觸面徑向作用的研磨力，由于“咬焊”作用，一齒面上的金屬微粒便黏著到與之相嚙合的另一個齒面上，之后便脫落下來形成黏著磨損。該失效形式常見于鋼質(zhì)硬齒面齒輪。表現(xiàn)在齒輪的節(jié)線及其附近出現(xiàn)小麻點，由于齒面較硬，該麻點將逐漸擴展成線，形成一條表面粗糙的溝帶，如齒面較軟麻點將在齒輪運轉(zhuǎn)過程中不斷彌合，情況不嚴重時對其使用的影響不明顯。

2.1.2 輪齒的磨粒磨損

蜂窩煤球機所處的工作環(huán)境通常比較惡劣，由于水分、油污、污物的作用，灰塵、砂粒、鐵屑或齒輪本身脫落下來的金屬顆粒等，很容易落入并附著在齒輪的工作面間，由于齒面的滾壓和研磨，這些雜物起著磨粒的作用，加速齒面金屬顆粒的剝離，使輪齒磨損而造成失效。

輪齒的磨粒磨損常見于惡劣環(huán)境中各種材質(zhì)的開式直齒輪傳動。在使用過程中由于不能很好地潤滑，節(jié)線及其附近出現(xiàn)明顯的“月洼”磨損帶，并有沿齒面切向的明顯劃痕。齒面上各點的滑動可用滑動系數(shù)來衡量，實驗分析歸納出磨粒磨損的三定律：材料的磨損量與滑動距離成正比，與載荷成正比，與材料的硬度成反比。其中滑動與磨損關(guān)系甚大，對磨損影響最大的是小齒輪根部的滑動系數(shù)，磨粒磨損嚴重的齒輪都是齒數(shù)較少、轉(zhuǎn)速較快、滑動系數(shù)較大的齒輪［3］。

2.2 輪齒折斷原因

從蜂窩煤機使用的現(xiàn)場觀察，造成齒輪折斷的原因有疲勞折斷、沖擊折斷、偏載折斷。

2.2.1 疲勞折斷

這種斷齒形式多發(fā)生在鋼質(zhì)齒輪上。因為輪齒進入嚙合時即開始受力，如同懸臂梁一樣齒根部將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，如圖1所示，當輪齒脫嚙時彎曲應(yīng)力也隨之消失，因此齒輪在傳動時每個輪齒均承受著交變彎曲應(yīng)力，在齒根部位存在著應(yīng)力集中，當齒根應(yīng)力較大時如超過齒輪材料抵抗疲勞的性能，則工作了一定時間之后，在齒根受拉一側(cè)的過渡圓角附近持續(xù)彈性變形及塑性變形，將產(chǎn)生較密的裂紋群，當裂紋群繼續(xù)發(fā)展時便形成疲勞斷裂面，最終導致輪齒折斷。

圖1 齒根彎曲應(yīng)力分布

在蜂窩煤機中疲勞折斷多表現(xiàn)為低周疲勞折斷，即輪齒在較大彎曲應(yīng)力作用下，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在材料的循環(huán)基數(shù)以下發(fā)生的斷齒。直齒輪一般沿齒寬方向從根部折斷，齒寬較大的也可能從齒的端部折斷，輪齒疲勞折斷的斷裂面呈下凹曲線形或下凹臺階形，如圖2所示。斷口可明顯地分辨出裂紋平滑的發(fā)生區(qū)、不太光滑的發(fā)展區(qū)、粗糙的瞬間斷裂區(qū)。

2.2.2 沖擊折斷

蜂窩煤機所處的環(huán)境較為惡劣，鑄鐵材料齒輪沖擊折斷的幾率較大，開式煤機偏心齒輪的個別齒在正常情況下就承受著周期性的沖擊，當有較大而堅硬的物體碎片落入齒輪的嚙合區(qū)，在動力及慣力的作用下，相嚙合齒間的擠壓力驟增，進而導致輪齒崩碎；安裝后存在縫隙的剖分齒輪，在安裝時就已經(jīng)存在很大的內(nèi)應(yīng)力，從而使靠近縫隙的輪齒在受到較大的沖擊時，便迅速斷裂。因此在傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動零件有相當大的慣量作用于傳動的輪齒上，使之承受巨大的沖擊力和動轉(zhuǎn)矩，在過大的負載作用下，輪齒將迅速脆斷。該斷裂形式是鑄鐵齒輪主要的斷齒形式，在沖擊斷齒的斷裂面上可以看到比較粗糙的的脆性斷口，其斷口多為上凸階梯形，如圖3所示。

2.2.3 偏載折斷

偏載斷齒是載荷沿齒寬分布不均，形成集中載荷而引起。相嚙合的一對齒輪受載后向不同方向彎曲，齒輪位置將相互傾斜。輪齒變形后即使齒面沿齒寬的大部分或全部接觸，但齒寬方向的受力和變形卻相差很大，此時載荷分布很不均勻，當偏載嚴重時，變形量最大的一端齒面其最大單位載荷可達到平均載荷的2~4倍，在重載作用下受力過大的齒端便逐漸出現(xiàn)裂紋，最終斷裂。此斷裂形式多見于鑄鐵齒輪及一些經(jīng)熱處理整體淬硬的鋼質(zhì)齒輪，多發(fā)生在齒的端部，斷口一般很不規(guī)則（如圖4所示）。

圖3 沖擊折斷斷口形式

圖4 偏載斷口形式

3 防止煤球機齒輪失效的主要對策

經(jīng)分析可見在開式傳動的蜂窩煤機中，齒輪失效的因素主要是磨損與折斷，為保證生產(chǎn)，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，在此從選材、設(shè)計、制造及管理等方面，提出如下改進措施。

3.1 合理選則齒輪材料，控制齒輪制造工藝

輪齒材料需要具有強度高、韌性好、耐磨性好等優(yōu)良綜合機械性能，同時要具有良好的加工性能和良好的熱處理性能。材料是決定齒輪耐磨性的一個重要因素，材料的含碳量及合金成分對耐磨性有明顯影響［2］。齒輪選用較硬的材料不易磨損，耐用時間長，可按齒輪的重要性和材料的價格來確定。由于蜂窩煤機開式齒輪傳動一般要求都不很高，故可選用常見材料低碳合金或者滲碳鋼并進行熱處理。按照“一硬一軟”的搭配設(shè)計原則，將主動齒輪的材料確定為45鋼，正火處理，從動輪的材料選擇為MC尼龍，MC尼龍具有較高的強度、剛度、韌性、耐磨性、自潤滑性，而且價格低廉，機械加工性能良好，可以解決開式傳動嚙合中的潤滑問題。

在加工過程中控制好其精度，齒輪的接觸精度不低于8級，為了有效減小齒面的初期磨損，設(shè)計和制造中齒根處應(yīng)有足夠的過渡圓角，以降低因加工而造成的應(yīng)力集中。另外在制造過程中齒輪內(nèi)部不允許存在氣孔、砂眼等缺陷。

3.2 正確估算齒輪工作負載，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

目前沒有成熟完善的測試煤機齒輪負載的方法，影響煤球機工作的因素很多，雖然在設(shè)計前生產(chǎn)方均對煤球機的負載做測試，但設(shè)計時所使用的計算載荷與實際生產(chǎn)時的載荷存在差異，而且在設(shè)計時多采用類比法或統(tǒng)計法并結(jié)合設(shè)計者的經(jīng)驗進行。基于此在確定齒輪的載荷時，可以把載荷的平均值與載荷型譜結(jié)合起來進行處理，讓設(shè)計載荷接近實際載荷，在載荷檢測圖線中，有時會出現(xiàn)峰值很高的脈沖荷載，該情況是機器中某機構(gòu)出現(xiàn)故障的征兆或故障隱患的顯示，其峰值不應(yīng)作為最大載荷考慮，同時改進其設(shè)計步驟，改進后開式齒輪的設(shè)計步驟可參考文獻［4］。

在煤球機齒輪傳動的設(shè)計中，主要應(yīng)考慮如何提高它的抗磨能力和齒根的抗折斷能力。其齒根彎曲疲勞強度公式為

式中：K為載荷系數(shù)；σF為齒根危險截面的彎曲應(yīng)力，MPa；Fn為法向壓力，N；［σF］為許用彎曲應(yīng)力，MPa；αa為齒頂壓力角，（°）；l為齒輪受力方向與中心線的交點與齒根之距，mm；bs為齒根厚度，mm。

因為α減小后，F(xiàn)n也減小了減小后，l變小，但cosαa稍有增加，s有所減小。因此、α 減小后，σF變小，齒根抗彎強度提高了。對開式齒輪傳動主要應(yīng)該提高齒根的彎曲強度和齒面的接觸強度，因此對、α大小做一些調(diào)整，采用=0.7；α=15°，同時齒輪的變位系數(shù)x1、x2的大小選擇應(yīng)以兩齒輪不發(fā)生根切為宜［5］。如設(shè)計中z1=15，z2=36，m=2 mm，變位系數(shù)取 x1=+0.2，x2=-0.2，此時齒輪的工作運行良好，磨損較小。

3.3 合理設(shè)置煤球機結(jié)構(gòu)，提高安裝精度

為了不使傳動件在嚴重過載的情況下長時間進行工作，在蜂窩煤機傳動過程中應(yīng)設(shè)置安全裝置，采用剪切安全銷或摩擦片式電磁離合器等裝置。根據(jù)蜂窩煤機工作特點，允許傳動的最大力矩為平均力矩的2～3倍，該值過小，保護作用不明顯，反而增加處理故障的頻率；該值過大，則失去存在的意義。適當?shù)剡x擇和調(diào)整安全裝置，使其在超過規(guī)定的極限時充分發(fā)揮作用。

在設(shè)計過程中，盡可能采用合理的結(jié)構(gòu)及布置方式，在一定程度上減小齒輪的偏載，改善齒輪的工作環(huán)境，如保證軸承的含軸量，合理布置機器本體的肋板，對稱布置支承等。

在蜂窩煤機進行安裝過程中，為消除齒輪失效的隱患，應(yīng)規(guī)范安裝，以保證軸間的平行度和垂直度，保證裝配后的齒側(cè)間隙，避免輪齒偏載或發(fā)生干涉，從而降低齒面局部過大的接觸應(yīng)力和齒根的彎曲應(yīng)力，避免使齒輪斷齒、齒面局部受損情況。同時還應(yīng)盡可能保證聯(lián)軸器等零件的同軸度要求。

對承受周期性載荷的偏心齒輪為延長其使用壽命，以達到各齒面均勻磨損目的，可以設(shè)計出多個偏心軸位置，按照生產(chǎn)量定期更換偏心位置。

3.4 改善齒輪的工作條件，科學生產(chǎn)

針對具體使用情況，改善煤球機齒輪的工作條件，科學生產(chǎn)。如做好散熱，避免超載，及時檢測，合理潤滑。對環(huán)境較清潔的鋼質(zhì)齒輪，其磨損主要表現(xiàn)為黏著磨損，應(yīng)設(shè)置潤滑系統(tǒng)。對齒輪潤滑油黏度的選擇要適當，如果潤滑油的黏度太小，難以在齒的表面形成起到保護作用的油膜，齒面的摩擦力就會增加，磨損也隨之加大。此外潤滑油的油質(zhì)要清潔，不能含有雜質(zhì)，使用過程中應(yīng)進行過濾，剔出灰塵、砂粒、金屬屑等［6］。對于污濁環(huán)境中的鑄鐵齒輪，磨損主要是磨粒磨損，加潤滑油是不利的，應(yīng)考慮加保護和清潔措施。

在使用過程中，為延長齒輪的使用壽命，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，對蜂窩煤機齒輪傳動的間隙、潤滑接觸面積、發(fā)熱情況、響聲等，要進行及時檢測和判斷，發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)及時進行調(diào)整與更換，以避免齒輪失效的發(fā)生［6］。

4 結(jié)語

不同的工作條件，齒輪的失效的形式不盡相同，應(yīng)根據(jù)實際使用情況采用不同的改進方法才能夠取得較好的效果。盡管開式蜂窩煤機中齒輪破壞的原因較復雜，如能找到其失效的規(guī)律，合理選擇齒輪的材料和生產(chǎn)工藝，正確估算其載荷并優(yōu)化其設(shè)計過程及其參數(shù)，合理設(shè)置煤球機結(jié)構(gòu)，提高其安裝精度，盡可能地改善其使用環(huán)境并進行科學的使用，加強管理，避免偏載因素的出現(xiàn)，即能提高齒輪的使用壽命，實踐證明從選材、設(shè)計、制造及管理等方面，提出改進對策并采取措施后煤機齒輪的使用壽命提高了1倍以上。

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［2］ 王翠云，潘文峰，王建民，等.開式齒輪傳動嚴重磨損問題的分析與改造［J］.機械傳動，2003（2）：53-55.

［3］ 吳昊德.一種制粉機開式齒輪傳動的改進設(shè)計［J］.遼東學院學報（自然科學版），2009，16（2）：125-127.

［4］ 孟兆明，李杰，嵇麗霞.對圓柱齒輪設(shè)計方法設(shè)計步驟的改進［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2014（16）：45-47.

［5］ 李乃根，王秀葉.開式齒輪傳動設(shè)計中的幾個重要參數(shù)的修正［J］.山東建筑工程學院學報，2000，15（3）：66-68.

［6］ 靳萍.淺論煤礦機械齒輪失效的原因及預防對策［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（20）：129.