摘要：随着社会经济的快速发展，人们生活生产对于煤炭的需求量越来越大，对煤矿开采工程的要求越来越高。作为煤矿生产的机械设备，在复杂的开发环境下因为外界因素的影响而可能出现传动齿轮失效的现象，最后会导致机械设备运转停止，影响设备的安全运行，影响煤矿开采工作的安全和效率。鉴于此，有必要对煤矿机械设备内部传动齿轮进行分析研究，探讨齿轮失效的主要形式和原因，然后采取相应的改进措施。本文将结合陕西某煤矿，对该煤矿在生产作业中机械设备传动齿轮失效形式、原因等进行具体分析，然后给出相应的改进建议。

1煤矿机械设备传动齿轮失效形式

本文以陕西某煤矿为例，据调查资料发现该煤矿需要长时间井下作业，鉴于井下作业的恶劣环境，对各种机械设备的要求均很高。作为机械设备最重要的组成部分，齿轮承担着机械能传递、使设备运行、使开采工作正常运行的作用。考虑到该煤矿开采作业时井下空间小、粉尘聚集，对于齿轮的破坏作用很大，且还会受到人为因素的影响，因此出现传动齿轮失效的现象比较常见，下文对该煤矿传动齿轮主要的失效形式进行分析讨论。

1.1齿面疲劳

齿面疲劳指的是在齿轮的表面出现了裂纹，主要特征是金属的移动与凹坑，并使凹坑合并或使尺寸增大，具体有齿面点蚀和疲劳剥损2种。其中齿面点蚀是指在齿轮运行中在高度接触下，齿轮表面因为接触应力较大且超出了正常值，在超荷载影响下就会出现裂纹。比如齿轮节线就是最早出现的裂纹部分，在持续接触应力作用下齿轮表面上麻点应力增大，齿轮表面会出现片状金属剥落，从而对齿廊产生破坏。关于疲劳剥损具体是指机械设备本身存在的潜在破坏，比如有较大颗粒物从齿面上脱落。一般来说，表面淬火的齿轮和硬齿面更容易发生疲劳剥损问题。

1.2齿面胶合

齿轮胶合是指齿轮在运行过程中受的外界负荷过大、又没有正确使用润滑剂，所以导致齿合区的温度快速升高并使其遭到严重的超负荷破坏，使齿轮接触面油膜被破坏导致齿轮金属表面直接接触在一起且焊接在了一起，使软齿的位置出现部分凹陷或起沟。

1.3齿面磨损

齿面磨损包括正常磨损、破坏性磨损和干涉性磨损，另外在齿面点蚀、胶合中也存在磨损问题。在该煤矿生产作业中出现正常磨损的情况较多，具体表现为齿面上金属之间以一定速率发生损耗，正常磨损的速度较慢因而对设备的影响较小，但是在磨损的量超过了规定范围时就可能会导致齿轮失效而很难维修。破坏性磨损指的是齿面上已经形成了比较严重的磨损现象，已经影响了设备的正常运行，最终可能会缩短设备的使用寿命。干涉性磨损主要是指设备在刚使用时因为没有正确安装，或者齿轮设计本身存在不合理之处，就可能会在设计运行中出现齿轮逐渐被破坏的问题。具体表现是主齿轮上应力较大、遭到了严重的破坏，主动齿轮齿根被破坏、出现严重卷起问题就会使齿轮整体遭到完全性损坏。

1.4齿面塑性变形

当生产齿轮的材料本身存在强度、硬度上的问题时，将齿轮安装在机械设备中，当机械设备在高速运转下，尤其在超负荷运行时就很容易在外界挤压作用下而发生弯曲变形问题。比如主动轮和从动轮之间就有着动力机械能的传递，在相互挤压的作用下会使齿面出现凹凸不平的情况，当变形程度严重以后就可能会对齿轮的正常运行带来影响。

2齿轮失效具体原因分析

分析该煤矿机械齿轮失效的原因，可以发现大多数和表面应力过于集中有关，当应力集中时会使齿面剪应力也增加、齿面出现前后滑动就会出现因挤压而引起弯曲变形的情况。另外。润滑不良、化学腐蚀和磨损等都会引起齿轮失效，同时齿轮设计时材料的选择、外形结构设计等不合理都可能会引起齿轮失效。

2.1设计问题

煤矿机械设备齿轮在设计时如果相关参数和技术没有结合设备实际情况、煤矿生产对设备的要求来进行，就可能会使设计缺乏针对性而导致设计失效，引起齿轮失效问题。同时，没有采取统一的设计标准和规范、没有进行准确的测算、材料选择不当、性能上没有满足实际运行要求等都是因为设计问题而会导致齿轮失效现象的出现。表1所示有关齿轮断齿、点蚀和剥落的影响因素可供齿轮设计优化时综合考虑。

2.2制造加工问题

在齿轮制造加工中，一方面是材料本身质量问题，另一方面在进行热处理时如果质量不达标，无法保证淬火处理后齿面均匀性要求、硬度要求等，都可能会引起淬火裂纹的出现，最终导致齿轮失效。在制造加工时如果没有足够的精度、齿面粗糙就会降低齿轮接触精度，从而影响齿轮的承载能力、使用寿命等。

2.3安装使用不合理

对该煤矿齿轮失效问题进行分析，发现齿轮的安装和使用上也存在不少不合理的地方。比如没有完善的安装技术规范，在齿轮安装时只是按照以往经验进行，没有结合实际生产要求和现场生产环境。在安装使用时也没有配置测量仪器，导致安装不符合技术和质量要求，就可能会引起设备超负荷运行、缩短齿轮使用寿命等问题。

3齿轮的改进措施

3.1优化设计

针对机械齿轮失效问题，在进行齿轮设计的时候要结合齿轮使用场合、容易发生的失效形式来进行优化。比如要结合常见失效现象、机械设备运行环境来合理选择齿轮的材料、对外形结构进行合理设计等。针对齿轮折断问题，在设计时需提高齿轮的抗弯曲度；针对齿轮齿面点蚀的问题，在设计时要注意提高齿面接触疲劳强度；针对齿面胶合的问题，则在设计时要考虑设备高速运行下如何提高齿面的抗胶合能力。在具体设计时，重点分析齿轮常见失效形式及其原因，根据不同机械设备工作性能要求、环境要求等确定齿轮的大小，特别要注意提高齿轮的抗疲劳能力、抗弯曲变形的能力、提高齿轮的硬度、强度等性能参数。特别对于在工作中需要承受重载和冲击荷载的用于提升、采掘和机械运输的齿轮，要求弯曲极限应力强度增大到1200MPa，接触耐久性极限强度则要求增大到1600MPa，这样才能延长齿轮及其设备的使用寿命。当然，考虑到煤矿机械设备工作环境相当复杂，且需要长时间连续性作业，还需要进一步优化齿轮的各个设计参数，准确计算荷载、完善计算公式、优化选材、应用更加先进的加工处理技术，才能使齿轮的硬度、啮合参数、润滑参数等符合齿轮质量要求，提高标准化与系列化程度。

3.2优化齿轮制造

在齿轮制造过程中，尽可能多使用锻钢制造，或采用铸钢齿轮的轮芯镶嵌钢齿圈组合件，一般来说锻钢锻造时要求锻造比大于3，且可使用超声波探伤设备对锻件或铸件的机械性能进行检查，保证齿轮材料质量符合制造要求。此外要注重完善齿轮的热处理工艺，要求轮齿表层向芯部过渡区的剪应力和剪切强度比应尽量小于0.55，可应用深层渗碳淬火技术提高齿轮芯部的硬度。目前碳氮共渗工艺已被广泛推广和应用，利用该工艺不仅可以提高齿轮表层的硬度而且可以产生压应力，使齿轮强度极限应力提高13%以上，从而延长了齿轮的使用寿命。

3.3正确操作

煤矿机械设备往往需要在复杂恶劣的环境下连续性工作，所以对于齿轮的伤害较大，为保证齿轮运行的安全稳定，在操作时必须严格按照技术标准进行，在安装齿轮和对齿轮进行检查维修时必须保证齿轮具有足够的承载强度、适应煤矿工作要求。正确的操作不但可避免发生超承载的问题，而且还能保持表面的光滑度和齿轮的硬度、强度等，将主动轮和从动轮结合在一起可避免磨损问题的发生，从而可延长齿轮使用寿命，此外，要做好对煤矿机械设备齿轮的检查维修，及时发现齿轮失效的问题，然后采取恰当的措施加以改正。

3.4正确使用先进的润滑技术

要保证齿轮的高效运转，就要对其进行定期的润滑保养。笔者在对陕西某煤矿安全事故的调查分析中发现，和机械设备齿轮失效有关的事故，除了和操作人员操作不当有关外，其实很大程度上和齿轮润滑度不足有关，这还是和现场工作人员没有养成使用润滑剂习惯有很大的关系。润滑剂的最终目的是为了减少齿轮磨损等事故，延长齿轮的使用寿命。如果不合理使用润滑剂，比如对于不同的设备类型、不同的齿轮型号以及在不同工作环境下采用同一种润滑剂，不但无法达到预期润滑效果，而且还可能会加速磨损，从整体上影响齿轮的使用质量和寿命。所以为保证煤矿生产效率，就需要结合科学理论、经验等针对不同设备类型、不同型号齿轮和不同的工作环境采用针对性的合理的润滑技术，选用合适的润滑剂并将对润滑剂的使用做好登记、输入到数据库中以备维修时查看。

3.5提高整体设备的性能

齿轮只是煤矿机械设备的一部分，想要保证机械设备正常运行，从而满足煤矿生产需求，还应该从整体上，结合本煤矿生产实际情况、对机械设备、技术等的要求做好对所有机械设备的维护保养和检修工作，以提高设备整体性能。在选购齿轮等设备零配件时必须安排专门人员选购，且需经过严格的质量检测，在设备安装、使用时要做好监督管理，尤其在使用时可结合监管系统加强对齿轮等零配件运行的监督控制，及时发现异常情况然后采取解决措施。齿轮的运行质量还会受到设备整体质量的影响。因为齿轮只是作为传递机械能的构件，当齿轮质量过关但是机械设备整体存在性能上的问题时，比如一些老式的设备、设备质量不过关等，也无法有效发挥齿轮的作用。

4结束语

综上所述，本文结合陕西某煤矿实际生产情况和齿轮运行中出现的故障问题，通过对失效形式的分析和故障原因的分析，提出由于设计、操作、齿轮生产以及安装等方面的问题可能会引起齿面疲劳、齿轮磨损等问题。为保证齿轮的正常运作，延长齿轮使用寿命就需要进一步深入研究，并针对问题和实际情况提出有效的解决对策。

参考文献

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作者：王仰毅 冯刚 单位：陕西陕煤铜川矿业有限公司下石节煤矿