淺談機(jī)械工程中齒輪失效現(xiàn)象的預(yù)防

1、 淺談機(jī)械工程中齒輪失效現(xiàn)象的預(yù)防 齒輪作為機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵部件，很大程度的影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及使用壽命。本文通過(guò)對(duì)造成齒輪失效的形式及緣由進(jìn)行分析，探討和提出了相應(yīng)的解決方式。 齒輪（Gear）是依靠齒的嚙合傳遞扭矩的輪狀機(jī)械零件。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)裝置中，齒輪由于傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比精確，高功率等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛的應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中，它的設(shè)計(jì)和制造水平直接影響工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。 齒輪分為多種類型，用途不同所選用的齒輪也不同。 在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的齒輪，不同的故障模式的也存在差異。通常，故障是都發(fā)生在多齒面的一部分，其它部位則較少發(fā)生。齒輪的失效形式大致分為，齒面磨損，齒面膠合，疲憊點(diǎn)蝕，輪齒折斷，齒

2、面塑性變形等。 1.1.齒面磨損 齒輪磨損是指齒輪在工作過(guò)程中，輪齒表面材料由于摩擦而產(chǎn)生的損耗現(xiàn)象。這種狀況一方面導(dǎo)致了漸開(kāi)線齒廓外形的破壞，引起系統(tǒng)震驚產(chǎn)生噪音：另一方面也導(dǎo)致輪齒減薄，簡(jiǎn)單斷裂折斷。造成這種狀況的緣由一是工作環(huán)境差，粉塵較多使齒面間進(jìn)入砂礫等硬質(zhì)屑粒，二是軟齒面相互作用摩擦產(chǎn)生的損耗。 針對(duì)這兩種造成齒輪磨損的緣由，我們需要提高輪齒表面硬度，定期檢查輪齒磨損程度，對(duì)于關(guān)鍵部位重要齒輪，齒面磨損要小于原齒厚度的10%，而對(duì)于一般齒輪的齒面磨損，在小于原厚度20%-30%時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)時(shí)更換或修理。 1.2齒面膠合 齒面膠合易于發(fā)生在高速重載傳動(dòng)的齒輪上，齒輪在工作中，機(jī)械摩擦力做

3、功會(huì)使齒合區(qū)的溫度上升，破壞潤(rùn)滑油膜，齒面之間金屬直接接觸，造成粘連，此時(shí)相對(duì)較軟的齒面金屬則會(huì)隨著齒輪的運(yùn)動(dòng)方向被撕下，在齒輪表面并產(chǎn)生峰崗、節(jié)瘤、刮痕或溝槽，這種現(xiàn)象被稱為膠合。結(jié)合齒面膠合的不同緣由和特征，可將其分為破壞性膠合、稍微膠合、局部膠合及中等膠合等。齒輪發(fā)生齒面膠合后，將加速齒輪的磨損、產(chǎn)生不平穩(wěn)的傳動(dòng)，導(dǎo)致齒輪快速失效、報(bào)廢。 為了防止或削減齒面膠合的現(xiàn)象，我們可以采納吸附性能高的潤(rùn)滑油，提高油膜的強(qiáng)度和相對(duì)穩(wěn)定性，在高溫高壓下仍能很好的發(fā)揮潤(rùn)滑及隔離效果，預(yù)防齒面膠合。 1.3 齒面點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕屬于接觸疲憊損壞，齒輪在傳動(dòng)中，接觸面上各點(diǎn)的接觸應(yīng)力呈脈動(dòng)循環(huán)變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間

4、后，會(huì)由于接觸面上金屬的疲憊而形成細(xì)小的疲憊裂紋，裂紋的擴(kuò)展造成金屬剝落，形成點(diǎn)蝕。齒面在消失點(diǎn)蝕后，由于承載面積削減，會(huì)導(dǎo)致噪音和沖擊，甚至?xí)л嘄X折斷。如果齒輪的點(diǎn)蝕面積大于齒寬、齒高的60%，則要對(duì)零件進(jìn)行更新。 防止齒輪發(fā)生齒面點(diǎn)蝕的措施：設(shè)計(jì)前對(duì)齒面疲憊強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，使齒面接觸應(yīng)力不超過(guò)允許值。此外，提高齒面硬度、及表面光滑度、采納正變位傳動(dòng)、選用較高粘度的潤(rùn)滑油、改善散熱條件等都可以顯著預(yù)防點(diǎn)蝕的發(fā)生。 1.4 齒面塑性變形 在齒輪工作過(guò)程中當(dāng)表面的工作應(yīng)力大于材料屈服極限后，齒面表層材料就會(huì)沿著摩擦力方向產(chǎn)生塑性流淌,這種現(xiàn)象稱為塑性變形，此時(shí)主動(dòng)齒輪面節(jié)線處將會(huì)有凹槽產(chǎn)生，而

5、從動(dòng)輪將會(huì)有凸脊消失。 此類失效一般發(fā)生在低速重載的齒輪傳動(dòng)中,塑性變形面多在非齒齒輪上。 預(yù)防齒面塑性變形需要提高輪齒面硬度，選用高粘度的潤(rùn)滑油等方法。 1.5 齒輪折斷 齒輪折斷現(xiàn)象在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中式最常見(jiàn)也是最危急的現(xiàn)象之一，是造成齒輪失效的最主要緣由。 輪齒折斷的緣由主要有彎曲疲憊折斷、過(guò)載折斷、隨機(jī)折斷、輪齒剪斷和塑變后折斷。其中尤其以疲憊折斷和過(guò)載折斷最為常見(jiàn)。 疲憊折斷：齒輪由于循環(huán)載荷的作用，齒根部位受力最大，在齒根過(guò)渡圓角處有應(yīng)力集中。當(dāng)超過(guò)齒輪材料疲憊極限時(shí)，簡(jiǎn)單在齒根的圓角部位產(chǎn)生疲憊裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)大，最終發(fā)生斷裂。 過(guò)載斷裂：輪齒在短時(shí)間內(nèi)受到過(guò)載沖擊或者輪齒變薄

6、后，導(dǎo)致齒輪應(yīng)力超過(guò)了其所能承受的應(yīng)力極限產(chǎn)生斷裂。載荷嚴(yán)峻集中，裝配精度不夠等都有可能引起過(guò)載斷裂。 為了預(yù)防輪齒折斷，在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)輪齒彎曲疲憊強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。為防止輪齒折斷可以實(shí)行以下措施：增大齒根處過(guò)度圓角，提高齒面加工精度等工藝措施降，低齒根表面粗糙度，。提高齒輪安裝精度，避開(kāi)偏載。合理的熱處理，保證齒芯韌性和齒面硬度。對(duì)齒根進(jìn)行噴丸、輥壓等表面硬化處理。 齒輪失效現(xiàn)象的預(yù)防措施綜述 各個(gè)公司在日常生產(chǎn)中，為了削減設(shè)備故障，降低齒輪失效的發(fā)生率，就需要實(shí)行相應(yīng)的預(yù)防及維護(hù)措施，保障齒輪運(yùn)行精度，及使用壽命。如選取適合的材料、采納合理的設(shè)計(jì)方案、保證齒輪安裝精度；使用適當(dāng)材質(zhì)的齒輪產(chǎn)品；

7、選擇合適的齒輪油；定期保養(yǎng)維護(hù)等等。 齒輪材料選擇：要依據(jù)強(qiáng)度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。同時(shí)也要考慮成本及經(jīng)濟(jì)效益因素。結(jié)合實(shí)際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對(duì)于承受重載和沖擊載荷的齒輪，采納以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材(含Ni量2%4%)；對(duì)于負(fù)載比較穩(wěn)定或功率較小、模數(shù)較小的齒輪，亦可選用無(wú)Ni的Ni-Mn鋼。 齒輪的熱處理及表面硬化：合理的熱處理及表面硬化處理，可以大幅度提升齒輪性能，防止失效。先對(duì)齒輪進(jìn)行滲碳、滲氮等熱處理，在對(duì)齒面、齒根等關(guān)鍵部位噴丸強(qiáng)化，即提升了表層向芯部過(guò)渡的區(qū)域抗剪強(qiáng)度又提高了齒輪表面接觸疲憊強(qiáng)度（30%50%）。此外正確的安裝運(yùn)行，選用合理的潤(rùn)滑油等措施都可以起到防止及減緩齒輪失效的作用。依據(jù)相關(guān)資料顯示，齒輪失效事故中，由于不當(dāng)?shù)臐?rùn)滑而引發(fā)的機(jī)械事故占20%，潤(rùn)滑不足而引發(fā)的機(jī)械事故占有的比例為35%。