機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問題淺析

張達(dá)

摘要：機(jī)械傳動(dòng)齒輪在整個(gè)機(jī)械功能中占據(jù)著重要地位，一旦齒輪失效，將會(huì)影響到機(jī)械功能的實(shí)現(xiàn)。由此可見，機(jī)械傳動(dòng)齒輪對(duì)機(jī)械功能的實(shí)現(xiàn)有著重要影響。本文主要針對(duì)機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問題展開研究討論，找出機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效中比較常見的問題，再分析這些問題提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動(dòng);齒輪;失效

0? 引言

齒輪在傳動(dòng)的過程中，時(shí)常會(huì)發(fā)生傳動(dòng)失效的現(xiàn)象。所以，必須要對(duì)機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效引起重視，對(duì)相關(guān)失效問題進(jìn)行深入研究，分析失效原因找到解決機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問題的措施。

1? 機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效常見問題

1.1 輪齒折斷

輪齒折斷是齒輪常見的失效形式之一。在通常情況下，輪齒折斷有以下兩種情況：其一，疲勞斷齒。輪齒在重復(fù)的交變應(yīng)力作用下，由輪齒危險(xiǎn)截面產(chǎn)生疲勞源，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，直至剩余截面上的應(yīng)力超過輪齒的極限應(yīng)力，形成瞬時(shí)斷齒;其二，過載斷齒。如果負(fù)載過大會(huì)造成輪齒折斷的現(xiàn)象，當(dāng)輪齒在正常傳動(dòng)過程中，突然受到強(qiáng)大的沖擊，超出輪齒的負(fù)載能力范圍，或者是在制造、安裝齒輪時(shí)，精度不夠高，使得齒輪嚙合區(qū)偏載，傳動(dòng)過程中受到過大沖擊負(fù)荷后造成的齒輪折損或出現(xiàn)固定折損位置，并且有非常明顯的斷裂面。如圖1所示。

1.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪在傳動(dòng)的過程中，嚙合面會(huì)產(chǎn)生循環(huán)接觸應(yīng)力，如果相嚙合兩齒輪齒面嚙合不良，齒面局部過載，接觸應(yīng)力過高，循環(huán)偏載作用下齒面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)（面），這種失效即為齒面點(diǎn)蝕。如圖2所示。齒輪的節(jié)圓部位所產(chǎn)生的摩擦與應(yīng)力比其他部位要大，所以在這個(gè)部位出現(xiàn)的點(diǎn)蝕現(xiàn)象是較多的。齒輪在嚙合過程中是滾動(dòng)與滑動(dòng)同時(shí)存在的，如果所接觸的兩個(gè)齒面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦過大，則易導(dǎo)致齒輪點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。由于減速裝置中主動(dòng)小齒輪的嚙合頻率高于被動(dòng)大齒輪，一般情況下主動(dòng)小齒輪較早出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。主動(dòng)小齒輪齒面上的點(diǎn)蝕坑有從節(jié)圓向上齒面方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，而從動(dòng)大齒輪則有遠(yuǎn)離節(jié)圓向齒根部擴(kuò)展的趨勢(shì)。

1.3 齒面磨損

齒輪在運(yùn)行時(shí)需要保持較好的潤滑度，如果一旦潤滑度沒有達(dá)到實(shí)際工況需要，加之齒面工作速度、工作載荷間不匹配，嚙合齒面間不能形成有效油膜，導(dǎo)致輪齒嚙合部位材料摩擦損耗的現(xiàn)象即為齒面磨損。如圖3所示。按磨損程度分為輕微、中等、過度，危害程度依次遞增。如果在齒輪裝置潤滑過程中混入了如焊接飛濺物、淬火氧化皮、銹蝕物等外部顆粒時(shí)，齒面會(huì)出現(xiàn)磨粒磨損的失效形式。此外潤滑油中的活性成分與齒輪材料發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使齒面腐蝕，形成不規(guī)則的腐蝕坑（面），這即為腐蝕磨損。

1.4 齒面塑性變形

輪齒表面如果是保持低速以及超負(fù)荷的工作狀態(tài)，輪齒在滑動(dòng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦，而這個(gè)摩擦與輪齒表面應(yīng)力進(jìn)行融合，就會(huì)導(dǎo)致輪齒的材料因屈服而產(chǎn)生塑性移動(dòng)，這種情況被稱為齒面塑性變形。塑性變形的形式主要有：碾擊塑變、麟皺、起脊、壓痕和齒體塑變。在近年廣泛使用硬齒面磨齒高精度齒輪的實(shí)踐中，以潤滑不良導(dǎo)致的起脊和麟皺較為常見。通常來說，齒面出現(xiàn)塑性變形主要是由于齒輪自身所采用的材料強(qiáng)度比較低，加之齒輪裝置潤滑不良，動(dòng)載荷過大而導(dǎo)致。

1.5 齒面膠合

膠合是指齒面在壓力下產(chǎn)生的黏著現(xiàn)象，并且齒面在相對(duì)滑動(dòng)的狀態(tài)下，金屬掉落就會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的黏著現(xiàn)象。齒輪在保持低速運(yùn)轉(zhuǎn)或者運(yùn)轉(zhuǎn)速度過快的狀態(tài)下，如果在齒輪表面溫度太高，或者是輪齒接觸面的壓力過大的情況下，就會(huì)導(dǎo)致齒輪表面潤滑的油膜損壞，使得齒面產(chǎn)生直接接觸，接觸面的摩擦力大大增加，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干摩擦或半干摩擦的現(xiàn)象，齒面會(huì)沿滑動(dòng)方向呈現(xiàn)明顯粘撕痕（尤其齒頂會(huì)出現(xiàn)較為明顯的的材料移失現(xiàn)象），嚙合摩擦力過大會(huì)直接導(dǎo)致齒廓完全損壞。同時(shí)，在摩擦的時(shí)候，齒面的溫度會(huì)不斷上升，輪齒表面出現(xiàn)熔焊，并且會(huì)不斷朝著嚙合的方向開始撕裂，齒輪表面材料開始移動(dòng)，這就是所謂的齒面膠合。如圖4所示。在齒面膠合類型中，主要包括冷熱兩種膠合。

2? 導(dǎo)致傳動(dòng)齒輪失效的相關(guān)因素

導(dǎo)致齒輪失效的的原因很多，包括材料選擇、齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算、加工工藝與質(zhì)量、熱處理工藝控制與質(zhì)量、安裝調(diào)整和使用維護(hù)等。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 設(shè)計(jì)方面的失誤

①對(duì)作用在輪齒上的實(shí)際載荷估計(jì)不足（其中包括：名義載荷、外部載荷、內(nèi)部載荷等）;

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理（如：軸承安裝方式不合適、軸和箱體剛度太差等）;

③齒輪參數(shù)與實(shí)際工況需要不適合（齒輪參數(shù)、側(cè)隙、齒根圓角不合適等）;

④齒輪材料選用不當(dāng);

⑤齒輪裝置潤滑系統(tǒng)不合適（潤滑油油量、油壓、潤滑點(diǎn)的設(shè)置及潤滑油牌號(hào)等）。

2.2 材料品質(zhì)和熱處理工藝控制方面的失誤

材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能不合格，內(nèi)部有損傷或缺陷是導(dǎo)致失效的重要原因之一。熱處理工藝控制方面的失誤有：金相組織不良，齒面和心部硬度不合適，硬化層深不當(dāng)，表面脫碳和晶界氧化，殘余應(yīng)力不良，熱處理裂紋等。

2.3 機(jī)械加工方面的失誤

①輪齒形狀不良、齒根圓角不當(dāng)、修形不到位等;

②輪齒及軸系的加工精度不夠。

2.4 裝配方面的失誤

配對(duì)嚙合齒輪的接觸不良、軸系上軸承間隙未調(diào)整合適、齒輪副側(cè)隙不合適等。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)方面的失誤

超負(fù)載、超轉(zhuǎn)速、潤滑不足或中斷、電氣故障、維護(hù)不當(dāng)?shù)取?/p>

通常當(dāng)傳動(dòng)齒輪失效后，我們需要對(duì)失效齒部形貌特征進(jìn)行細(xì)致觀察，首先確定齒輪的具體失效形式，然后結(jié)合實(shí)際工況找出可能引起齒輪失效的原因，最后針對(duì)齒輪的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，消除或減小齒輪失效的幾率。

3? 結(jié)語

在工程實(shí)踐中，齒輪的失效形式多種多樣，失效原因也需要具體情況具體分析。只有我們做到如下幾點(diǎn)：齒輪參數(shù)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)+優(yōu)等的齒輪部件（材料、熱處理工藝質(zhì)量控制、加工工藝及精度等）+合理的裝配調(diào)整（軸承、軸向間隙、側(cè)隙、軸系動(dòng)平衡等）+與原動(dòng)機(jī)/負(fù)載機(jī)器的正確連接（找正、對(duì)中等）+現(xiàn)場(chǎng)正確的運(yùn)行使用和維護(hù)（潤滑、冷卻等），才能得到理想的高品質(zhì)齒輪傳動(dòng)，從而盡可能減少齒輪失效的幾率及齒輪裝置的故障率。

參考文獻(xiàn)：

[1]齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]汪淑艷，鐘慶海.關(guān)于機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問題的探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（09）：128-129.

[3]朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]董進(jìn)鋒.機(jī)械齒輪傳動(dòng)及失效特性分析[J].中外企業(yè)家，2015（21）：190.