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1齒輪失效原因分析

1.1設(shè)計方面

對煤礦機械而言，其基本采用低速重載齒輪，此外，煤礦機械的工作條件以及工作環(huán)境都欠佳。煤礦機械結(jié)合自身長遠的發(fā)展，對齒輪提出了相應的要求，然而，這都是齒輪設(shè)計工作還無法達到的?，F(xiàn)實中齒輪的相關(guān)參數(shù)與技術(shù)指標，還無法完全適用于煤礦機械，即該類齒輪無法勝任煤礦機械的要求。此外，部分齒輪零件指標、運算方式、準則等還有待提高與統(tǒng)一。就像齒輪的某些指標，如接觸疲勞強度等，對該強度的剖析運算模式依舊采用過去的Hertz公式，該公式指的是，測試樣品在經(jīng)受交變應力的前提下，根據(jù)其斷裂循環(huán)次數(shù)，最終經(jīng)分析而形成S－N曲線。疲勞設(shè)計以該曲線為根據(jù)，但是，現(xiàn)實中會有許多相關(guān)因素的干擾，這將導致試樣和產(chǎn)品的表面質(zhì)量存有質(zhì)的區(qū)別。

1.2制造加工方面

在制造加工方面也有一定的問題，如制造出來的齒輪質(zhì)量無法達到相應的參數(shù)與技術(shù)指標。在制造大齒輪的時候，成品可能存有許多方面的缺陷，如砂眼、化學成分偏析以及氣孔等。鍛造比是齒輪鍛造時需要十分注意的問題，因為其直接關(guān)系到材質(zhì)的性能。此外，沒有對產(chǎn)品進行恰到好處的熱處理，齒面硬度也由于調(diào)質(zhì)處理方面的欠缺，使產(chǎn)品無法達到相應的設(shè)計標準，如一些成品的硬度只有HB17O～HB2O0上下的水平。對齒輪進行淬火處理時，由于其齒面并沒有統(tǒng)一的硬度且淬硬層不深，這將導致淬火裂紋，同時存有一定的內(nèi)應力。就采掘機械來說，其采用的齒輪普遍具有以下特點：一是滲碳層不深，不同部位的硬度差別大；二是加工精度欠佳，在加工較大模數(shù)齒輪的時候，會有齒形超差與徑向跳動的情況產(chǎn)生，此外，齒面的粗糙水平超出了有關(guān)標準，這些因素的綜合作用將令齒輪的接觸精度降低；另一方面，其對齒輪的使用年限與承載性能也有較大的影響。

1.3安裝使用方面

大部分的煤礦現(xiàn)場都欠缺完善的機械安裝準則與技術(shù)，其極大程度地依賴于經(jīng)驗施工。此外，測量儀器有所欠缺，這就無法實現(xiàn)安裝質(zhì)量的平穩(wěn)，從技術(shù)層次來看，齒輪的安裝情況不容樂觀，其體現(xiàn)在齒輪接觸面積、軸中心線、中心距、水平度和輪齒嚙合間隙等方面。新的齒輪安裝以后，因為無法最大限度地實現(xiàn)跑合，此外，因為時間有限，跑合趨于表面流程，即倘若有運行的聲響，就可以拿來運用了，不能實現(xiàn)跑合的規(guī)范與目的，沒有對齒輪與減速箱進行規(guī)定時間間隔的清潔，造成潤滑油脂的使用與選取不當以及缺油等。如采掘機械，經(jīng)常有雜質(zhì)、煤粉等物質(zhì)進入該機械的減速器內(nèi)，一些違規(guī)操作使機械運行功率超過了限額，齒輪無法承受更大的力矩。

2改進途徑

2.1設(shè)計方面

在限定煤礦機械齒輪大小與形狀的前提下，怎樣提升該機械的使用年限以及增加其強度，這是令許多學者與工人困擾的難題。改進齒輪對煤礦機械，尤其是采掘運輸機械來說，顯得非常重要。采掘運輸機械由于自身的工作特點，造成了其齒輪要有巨大的承載能力與足夠強的抵抗沖擊載荷的能力，如該齒輪要經(jīng)受住1600MPa的接觸耐久性極限強度，1200MPa的彎曲極限應力強度。因此，齒輪設(shè)計所需的技術(shù)含量逐步提升，如何優(yōu)化設(shè)計齒輪顯得尤為關(guān)鍵。關(guān)于優(yōu)化設(shè)計，其涵蓋了優(yōu)化選材、先進的加工技術(shù)、載荷的精準運算、提高齒輪表層光潔水平、有效的潤滑參數(shù)、優(yōu)化齒形結(jié)構(gòu)、強度計算公式的修正以及提升整體化、標準化水平等內(nèi)容。

2.2選擇材料方面

選取材料來制作齒輪的時候，先得合理分析該材料是否能滿足相關(guān)的工藝指標以及強度要求等。借鑒工業(yè)水平先進的其他國家并與自身實際情況相結(jié)合，得出我國可以選用低碳合金滲碳鋼來當作制造齒輪的材料。倘若齒輪要經(jīng)受沖擊與承載，那么應該選取含有鎳元素的鋼材，該類鋼材的成分基本為Ni-Cr－Mo與Ni－Cr的合金滲碳鋼；倘若齒輪所需承載的負荷沒有太大的波動，或者是模數(shù)與功率都不大的齒輪，其選用的材料可以是無Ni－Mn鋼。該類滲碳合金鋼都具有較低的碳含量，其均值不超過0．2%，在材料所含有的化學元素中，Ni可以增加鋼的韌性，Cr可以使鋼在耐磨與淬透這兩方面的性能得到提升，而Mo、Mn都可以提升鋼的淬透性。要探究與開發(fā)出具有良好淬透性的滲碳齒輪鋼，其淬透性比較緊密，能夠?qū)崿F(xiàn)其在不發(fā)生較大變形的前提下而生成一定的芯部硬度。要盡可能采用冶金性能優(yōu)越的質(zhì)量好的電渣重熔合金鋼以及真空脫氣精煉鋼，該類材料含有的雜質(zhì)少，整體致密度比較良好，韌性與塑性也相當優(yōu)越。此外，其還在一定程度降低了機械性能，提升了各向同性水準。選取該類材料來制造齒輪，其性能會超出一般齒輪，就像在齒輪極限負荷與接觸疲勞壽命方面，特殊材質(zhì)的齒輪性能會比一般齒輪強數(shù)倍甚至數(shù)10倍。

2.3加工工藝方面

對滾輪進行機械加工的時候，不可將精、粗滾工序混在一起，而是應該分別處理，即在滾刀作用下進行粗切應放在前面的工序，接著進行精滾齒，該過程是為了確保滾刀能有較小的誤差，此外，該過程應用的工具是專用滾刀，對于切齒的深度，要求精確在零位左后。此外，切齒深度是通過百分表來調(diào)控的，該過程所使用的精滾齒滾刀，其齒形有相應的要求，即誤差要在0.03mm以下。通常情況下，齒形加工不得低于9級精度。對齒輪的齒面也有相應要求，如其粗糙度要達到一定的標準，對齒輪進行打磨之后，緊接著進行拋光工序，通常情況下，使用的是振動拋光或者是電拋光，該工序能夠提升表面粗糙度，倘若表面粗糙度不夠良好，那么該齒輪的使用年限要比粗糙度優(yōu)越的齒輪壽命少18倍左右。

2.4熱處理方面

齒輪芯部過渡區(qū)至表層的剪切強度與其表面硬度，這兩方面直接與煤礦機械齒輪的承載能力相掛鉤。倘若要提升該類齒輪的硬度，最有效的方式就是采用深層滲碳淬火，該方法能夠使齒輪芯部的硬度得到相當大的提升。此外，其還可以使齒輪的硬化層達到足夠的深度，且在過渡區(qū)也不會有過大的殘余拉應力。齒輪表面的碳含量也有相應的指標，通常情況下，要求在0.8%~1%這個區(qū)間，此外，齒輪內(nèi)部到表層的硬度要逐步過渡，不能有較大的跨度?；鼗鹨约按慊鸲际菨B碳齒輪要經(jīng)歷的工序，這些工序能夠讓齒輪表層有HRC58～62的硬度，并能在一定程度上降低甚至消除齒輪內(nèi)存有的殘余內(nèi)應力。氮、碳共滲工藝具有突出的優(yōu)點，在進行該工藝的時候要對氮量進行一定的調(diào)控，即其滲人深度應小于0.2mm，這不僅有壓應力生成，且可以令表層得到硬化。經(jīng)該工序處理的齒輪要比普通滲碳齒輪性能優(yōu)越很多。由于人工時效處理通常會安排在熱處理之后，以進一步提升成品性能。

2.5表面強化處理

在一般情況下，齒輪最后經(jīng)受的一道工序就是齒根與齒面的噴丸強化處理，磨齒以及滲碳淬火工序一般在該工序之前進行。當齒輪表層經(jīng)受細微型的球形彈丸的沖擊時，在齒輪次表層就會有一薄層出現(xiàn)，且該薄層具有相當高的殘余壓應力，這使齒輪的接觸疲勞強度提升了數(shù)10倍，齒根彎曲疲勞強度也得到緩解，這有助于抑制裂紋延展。該工序可以提升齒輪的潤滑性能；可以提高齒輪的沖擊抵抗能力；能夠消除齒輪由于加工所導致的表面缺陷以及相關(guān)應力；可以降低點蝕，提升齒輪的耐久性能。通過相關(guān)資料可知，沒有經(jīng)過噴丸處理的齒輪，其使用壽命要比經(jīng)噴丸處理的齒輪短近6倍。

3結(jié)語

我國常見的煤礦機械設(shè)備事故已經(jīng)成為妨礙我國煤礦挖掘和運輸?shù)闹匾蛩?，其中傳動齒輪失效是造成煤礦機械設(shè)備事故的重要誘因。因此，對煤礦機械設(shè)備中傳動齒輪失效的形式及原因進行研究，有助于降低煤礦機械設(shè)備事故率，保障煤礦從業(yè)人員的人身安全。

作者：張金萍單位：白城職業(yè)技術(shù)學院