减速机齿轮失效原因分析

减速机齿轮失效原因分析
摘要：齿轮在机械工程中占据着重要的位置，往往处在机械设施中的关键部位，所以，齿轮的磨损失效会给工程带来很大的损失，也是人们关注的重点问题，由于轮体失效的情况极为少见，齿轮失效往往是由于轮齿失效引起的。

想要对齿
轮失效的原因进行充分的把握应该先了解齿轮的传动类型和特点。

关键词：减速机；齿轮传动；失效
引言
齿轮材料一般选用合金渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、35CrMo、40Cr等，齿轮毛坯一般经过下料→加热→锻造→预先热处理→粗车端面和外圆→
铣齿和键槽→最终热处理等多道冷热加工工序，以获得较高的表面硬度和良好的
心部韧性，使齿轮具有高耐磨，耐疲劳等综合性能。

预先热处理通常采用正火以
细化晶粒，降低硬度以获得良好的切削加工性能，为后序最终热处理做好金相组
织准备。

最终热处理主要采用渗碳、渗氮、氮碳共渗及感应淬火，以获得高硬度
和耐磨性，提高其疲劳强度和使用寿命。

1大型减速机齿轮失效原因分析
1.1疲劳断齿
这是减速机齿轮断齿最常见的一种形态，也是最影响生产效益与安全的。

齿
轮是减速机中最主要的组成部件，在很大程度上直接影响着减速机的使用寿命和
性能发挥。

一般减速机的内部结构比较复杂，而且会涉及多方面的专业知识与技能，我们根据机械系统的运行原理以及内部机构进行分析，可知直齿轮在运行过
程中使用交流电，在运行中容易受到电流的影响，一般沿齿长方向从根部折断，
如果齿宽就会从齿端部折断，在荷载比较大的情况下很容易产生倾斜断裂，不仅
影响交流电的传输效率，还影响着整个系统运行的稳定性与安全性。

我们就断裂
面形态观察，一般都呈现下凹的台阶形状。

机械内部构件里重要的部件就是控制
系统，由于DCS软件与硬件故障经常引起制动，通常在传输过程中会发出不均匀
的响声，长期以往很容易使齿轮的一端齿顶部折断。

引起疲劳断齿的根本原因就
是由于齿轮承受着超出其限度的循环载荷，因为设备频繁使用，超过了自身承受
的负荷，当齿根处的弯曲应力超过齿轮材料的耐久限度时，就会出现内在的疲劳
损伤，导致机械振动冲击所引起的机械疲劳。

1.2齿面磨损无法传动
在减速机齿轮传动过程中，对于齿面的磨损是不可避免的，齿面磨损还包括
粘着磨损、磨粒磨损、擦伤、腐蚀磨损和烧伤。

对于粘着磨损来说主要是指润滑，如果润滑油层完整且厚度相当厚那么金属之间的接触就会减小，也就不会发生磨损。

如果油膜温度和压力相同，那么油的粘度越高，磨损越小，在低速、重载、
极端温度等情况下，油膜可能会发生破坏情况，这种情况下，磨损发生在除了节
圆的大部分轮齿面上。

可以通过提高齿面硬度、降低齿面粗糙度，增加油的粘度
来改善这种磨损。

磨粒磨损和擦伤主要是指润滑剂不干净存在杂质或者是指在运
行过程中金属之间的接触产生磨屑，导致减速机的齿轮发生磨损，使得传动工作
失效。

如果齿轮的对中好，擦伤不是由于池面上鼓励的微凸体造成的，那么整个
齿轮的磨损会扩展到大部分区域。

腐蚀磨损是指润滑剂中的一些物质与齿面的金
属发生化学反应，造成金属腐蚀。

1.3偏载断齿
偏载断齿的原因比较复杂，但是大部分断齿故障都是因为载荷不能与接触线
均匀分布，造成主机和辅机保护误动。

在减速机运行时，机壳和轴的刚性越差，
偏载现象就会越严重，而且机械内部系统会带有温度计，其内部温度可见，可方
便观测机械设备是否是正常运行，如果发现其温度偏高或者偏低，说明齿轮在运
行中可能出现故障。

尤其是当齿轮在两轴之间的偏置时，受到受载变形或者安装
误差等影响，导致荷载不能与齿轮的接触线全长分布一致，当偏载最严重时，两
轴就会向不同的方向弯曲，最终齿轮就会发生变形而引起折断。

偏载断齿是采矿
机械控制系统运行过程中比较常发生的现象，会对机械设备造成很大的损害，两
齿轮面可能出现分布均匀的现象，齿轮的右端变形量最大，齿端部的齿根弯曲力
要比不偏载时的承受力大出4～6倍，一旦机械设备发生偏载断齿，就会增加设
备烧毁的几率。

1.4断口宏观及微观分析
减速机齿轮是减速箱中间齿轮轴的输出端齿轮，齿轮齿数45个，5个断齿，
1个出现磨损和剥落。

从断口的宏观形貌来看，齿轮断裂处位于齿部齿根处，为
发生断裂的裂纹源；整个断口分为3个区域，裂纹萌生区和扩展区域面积较小，
断口无宏观塑性变形，无疲劳特征：最终瞬断区约占断口80%，说明发生断裂时
承受应力或外力过大，此区域表面较粗糙，呈灰色，断口呈现放射性条纹，属于
脆性断裂。

1.5综合分析
一般来说，齿轮加工的工艺路线为[8-11]：锻造→预备热处理（正火、退火
或调质等）→粗加工（齿形加工）→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔
→精加工（磨齿）。

齿轮毛坯需锻造，锻造能够降低晶粒尺寸，改善毛坯组织性能；预备热处理主要目的是降低硬度，提高塑性，便于切削加工，细化晶粒，均
匀化成分与组织，为后续热处理做准备。

对于20CrMnTi材料，渗碳热处理工艺
规范一般是先进行920～950℃正火热处理，然后在920～940℃下渗碳处理，最
后830～870℃油淬及180～200℃低温回火。

失效齿轮心部的强度较低，达不到
标准要求，结合该位置的金相组织，发现组织中存在块状铁素体及偏析，导致了
材料强度降低。

偏析的存在与预备热处理不合适有关，可以增加预备热处理的时
间或提高温度。

失效齿轮侧面硬度低，耐磨性较差，这是导致失效的主要原因，
结合本文中的分析，表面硬度低，主要是由于在渗碳过程中，渗碳方法不当，渗
碳不均匀所致。

2分析与讨论
从断口宏观分析，整个断口裂纹萌生区和扩展区域面积较小，断口无宏观塑
性变形，无疲劳特征，最终瞬断区约占断口80%，说明断裂时承受应力或外力过大，此区域表面较粗糙，呈灰色，断口形态呈放射状，属于脆性断裂。

用扫描电
子显微镜进行微观分析，符合过载导致的脆性断裂特征。

从化学成分、低倍组织、
非金属夹杂物分析，原材料符合齿轮材料要求。

金相分析和硬度检测显示，零件
渗碳淬火表面金相组织、心部组织，表面硬度均符合要求；淬硬层区域经腐蚀后
显示各部位淬硬层深满足要求，并且淬硬层连续，齿根处无断续问题，说明渗碳
淬火工艺良好，满足其技术要求。

从金相分析中显示内孔表面出现明显表面硬化
和次层回火现象，说明该齿轮在与传动轴连接时因装配不当存在相对移动，导致
齿轮在运行过程中因摩擦过热，使表面出现表面硬化和二次回火现象。

结语
（1）该齿轮轴由于脆性夹杂物破坏了材料的连续性，在较大的残余应力下
发生的延时开裂。

（2）冶炼过程需严格把控，避免保护渣等外来夹杂物进入钢
水中。

参考文献
[1]刘文斌．12Cr2Ni4A传动齿轮的失效原因分析及预防探讨[J]．失效分析
与预防，2015，32(1)：31-35．
[2]胡建文．渗碳齿轮有效硬化层的碳浓度研究[J]．热加工工艺，1999，
38(4)：19-20．
[3]李学伟．关于渗碳齿轮有效硬化层深度的探讨[J]．煤矿机械，2003(2)：31-32．
[4]梁晓军，焦四海，王聪，等．回火工艺对直接淬火钢组织与性能的影响[J]．热加工工艺，2006，35(16)：47-50．
[5]季春生，王忠诚，刘剑辉．改善20CrMnTIH淬透性的研究[J]．北京科技
大学学报，2007，29(增刊)：85-88．。