机械工程中齿轮失效常见的几种形式及预防措施

机械工程中齿轮失效常见的几种形式及预防措施

摘要:本文介绍了齿轮常见的失效形式、基本特征,预防齿轮失效的一些措施。

关键词:齿轮失效预防措施

齿轮是现代机械传动中的重要组成部分,在各种机械设备中应用极为广泛。据统计,在各种机械故障中,齿轮失效引起的约占10.3%,下面就齿轮常见失效形式、相应的防止或延缓失效措施作一介绍。

1、齿轮失效形式

齿轮的类型很多,用途各异,在实际生产应用过程中,齿轮的失效形式也是各种各样的。

齿轮失效一般发生在齿面,很少发生在其他部位。按照齿轮在工作中发生故障的原因,可分析出齿轮常见失效形式有轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、塑性变形等等。

1.1 轮齿折断

轮齿折断是危险性很大的一种最终失效形式,根据形成的不同原因可分为过载折断、疲劳折断和随机折断。

1.1.1 过载折断

齿面受到过大冲击载荷时,致使轮齿应力超过其极限应力,发生过载断裂。一般为短期过载。轮齿发生过载折断时,其断面有呈放射状或人字级花样的放射区,放射方向与裂纹扩展方向大致平行,放射中心即为断裂源,断口现壳纹疲劳线。铸铁齿轮易发生过载断裂。

1.1.2 疲劳断裂

在循环载荷作用下,齿根处弯曲应力最大且应力集中,当超过疲劳极限时,齿根圆角处易产生疲劳裂纹。随着工作时间和循环次数的增加,多次重复作用,裂纹逐渐扩展加深,最终导致轮齿疲劳断裂。导致轮齿发生疲劳折断的因素很多,如:齿轮材料不当、加工精度低、齿根过渡圆角小、设计时对实际载荷估计不足等等。

1.1.3 随机折断

当齿轮材料缺陷、剥落在断裂处形成过高的局部应力集中时,会导致随机折断。其断口形式与一般疲劳折断相似。这种失效实际上是次生的失效。

1.2 齿面胶合

在高速重载传动中,因啮合区温度升高而导致润滑油膜被破坏,使两齿面金属直接接触并相互粘接,随着齿面的相对滑动,较软的齿面金属沿滑动方向被撕下而形成沟纹,这种现象就是胶合。根据各自不同的特征和原因,胶合具体又分为轻微胶合、中等胶合、破坏性胶合及局部胶合四种类型。齿面胶合会引起强烈的磨损和发热、造成传动不平稳、导致齿轮报废。

1.3 齿面点蚀

轮齿在工作时,其啮合表面上任一点所产生的接触应力是按脉动循环变化的。齿面接触应力超过材料的接触极限应力时,齿面表层会产生细微的疲劳裂纹,裂纹的扩展使表层金属微粒剥落下来而形成一些小坑,俗称点蚀麻坑。点蚀会使齿面减少承载面积,引起冲击和噪音,严重时轮齿会折断。当点蚀面积如超过齿高、齿宽的60%时,应更换新零件。

1.4 齿面磨损

齿面磨损有2种:(1)由于硬的屑粒（如铁屑、砂粒等）进入齿面间所引起的

磨粒磨损;(2)由于轮齿表面相互摩擦所引起的研磨磨损。过度磨损后,工作表面材料大量磨掉,齿廓形状破坏,常导致严重噪声和振动,最终导致传动失效。因此,重要轮齿的齿面磨损不应该超过原齿厚的10%,一般轮齿齿面磨损视设备用途不超过原齿厚的20%—30%,超过标准应更换。

1.5 塑性变形

齿面塑性变形主要出现在低速重载、频繁启动和过载的场合。当齿面的工作应力超过材料的屈服极限时,齿面产生塑性流动,从而引起主动轮齿面节线处产生凹槽,从动轮出现凸脊。此失效多发生在非硬面轮齿上,齿轮的齿形严重变形,特别是左右不对称时应更换新件。

上面阐述的几种主要轮齿失效形式,在一般情况下,不仅可以修复,且在不能改变齿轮材料、加工工艺的条件下通过提前预防来延迟齿轮失效不利情况的发生,提高齿轮使用寿命。

2、预防齿轮失效措施

2.1 提高齿轮安装精度

2.2 合理选材

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;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。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%。

2.3 热处理

通过热处理工艺,可以改善齿轮材质,适当提高硬度,消除或减轻齿面的局部过载,提高齿面的抗剥落能力。例,对煤矿机械中的齿轮,深层渗碳淬火,可减小齿轮硬化,提高芯部硬度,较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。

2.4 根据实际情况选择齿轮油

据资料显示,机械故障的34.4%源于润滑不足,19.6%源于润滑不当,换句话说,以54%的机械故障是由于润滑问题所致。因此,选择好的齿轮油对提高齿轮使用寿命有重要的意义。

2.5 修复

为了确保齿轮的强度和硬度,决定采用氩弧焊合金焊丝堆焊修复,后用磨光机整形处理方案,这样焊后的齿轮轮齿少不经热处理达到较高的硬度和强度。

通过对齿轮失效形式的分析,可提高准确判别设备故障的能力,及时解除故障,提高经济效益。

参考文献

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