摘要：煤矿机械齿轮的失效有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀和齿面塑性变形等主要形式。由于轮齿啮合不合理，造成超负荷或冲击负荷而产生轮齿较软齿部分金属的塑性变形，严重时在齿顶的边棱或端部出现飞边、齿顶变圆，主动齿轮的齿面上有凹陷，被动齿轮的节线附近升起一脊形，使齿面失去正确的齿形。齿轮失效直接影响着煤矿机械效能的发挥，亟待解决，本文提出几种改进途径，针对煤矿机械功率大、速度低、重载和相对尺寸小的特点，分析了煤矿机械传动齿轮的失效形式，提出了改进途径。
关键词：煤矿机械齿轮失效改进
1设计
煤矿机械齿轮，特别是承受重载和冲击载荷的提升和采掘运输机械齿轮，其弯曲极限应力强度增大到1200MPa，接触耐久性极限强度亦增大到1600MPa，如何在不加大外形尺寸的条件下提高其强度和寿命，需进一步进行科研技术攻关，优化设计参数。优化设计的内容包括载荷的准确计算、强度计算公式的修正、优化选材、优化齿形结构、先进的加工和处理工艺、提高表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数和装配要求等，提高标准化、系列化程度。笔者认为还可以采用以下几种比较先进的优化设计方法：①按照GB3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力的计算方法》和有关行业标准，采用CAD进行齿轮强度计算和齿轮结构方案的类比，选出最优的设计方案。②利用保角映射和有限元法等方法分析齿根弯曲应力，采用较大半径的齿根过渡圆角并采用凸头留磨滚刀加工外齿轮齿形，以此降低齿根弯曲应力集中，提高弯曲强度。③根据弹性力学知识分析轮齿的啮合形变，采用齿顶修缘，修缘线是采用较大压力角的渐开线；采用齿面喷丸处理等工艺来提高轮齿的接触和弯曲疲劳强度。④根据弹流润滑理论研究齿轮润滑状态后，采用极压添加剂的高粘度齿轮润滑油来改善齿轮的润滑状态。
2选材
齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和工艺性能要求，综合考虑。结合我国实际，宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载荷的齿轮，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材(含Ni量2%~4%)；对于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮，亦可选用无Ni的Ni-Mn钢。这些渗碳合金钢的含碳量较低，平均为0.2%以下，其中的Mo、Mn均能增加钢的淬透性(含Mn量以0.4%~0.6%为宜)，Cr能增加钢的淬透性和耐磨性，Ni对提高钢的韧性特别有效。应研制、采用新型淬透性好的渗碳齿轮钢(国外称为“H”钢系列)，它具有较窄范围的淬透性带，可保证齿轮变形范围小并达到要求的芯部硬度。应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢(R—H脱气钢)和电渣重熔合金钢，这种钢材的纯度高，具有较好的致密度，含氧、氮和非金属杂质极少，塑性和韧性好，减少了机械性能和各向异性。用这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相比，其接触和弯曲疲劳寿命可提高3~5倍，齿轮极限载荷可提高15%~20%。
3加工工艺
机加工滚齿时，粗、精滚工序要分开，先用滚刀进行粗切，再用专用滚刀进行精滚齿，保持滚刀精度，用百分表控制切齿深度，切齿深度误差应控制在零位附近，精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.03mm。齿形加工一般要达到9级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求，可在磨齿后，进行电抛光或振动抛光，提高表面粗糙度，粗糙度好的齿轮的寿命比粗糙度差的可提高15%~20%。采用齿面修形、齿形修缘和挖根大圆弧(大圆弧齿根)新技术(包括倒角、磨光、修圆)，能消除或减轻啮合干涉和偏载，提高齿轮的承载能力，使齿根应力集中降低，齿轮的弹性柔度增大。对齿形进行修饰(磨齿、剃齿、研齿)，齿轮的接触极限应力可提高15%~25%。对齿作纵向修形(修齿腹)，齿轮的寿命可提高2倍，弯曲应力可减少17%~23%，并可降低噪声。当切齿刀具的硬度大于工件硬度的2~5倍以上，并有较好的韧性和耐磨性时，切削效果较好。硬齿面齿轮常采用磨削法和刮削法加工，齿胚经多次热处理和切削加工。
4热处理
煤矿机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切强度的比值，它不能大于0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在0.8%~1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到HRC58~62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺，氮的渗入深度一般控制在0.2mm以内，它不但能硬化表层，还能产生压应力，可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。
5表面强化处理
对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。它能使齿轮的接触疲劳强度提高30%~50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善；能有效阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多；能有效抵抗破坏性冲击，减少点蚀，增大耐久极限；有利于齿轮润滑的改善；可消除各种切齿加工在齿面留下的连续刀痕以及磨削产生的缺陷(产生残余应力和淬火压应力的释放)。根据国外经验，齿轮喷丸比不喷丸寿命可提高6倍。