機(jī)械工程中齒輪失效形式及預(yù)防

姜鵬浩?黃文祥

摘 要：本文主要根據(jù)齒輪失效的幾種形式進(jìn)行研究，通過對其失效的形式及原因進(jìn)行分析，提出了解決齒輪失效的幾種預(yù)防措施，使設(shè)備故障判別的準(zhǔn)確率得到提高，并將故障及時的解決，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動;齒輪失效;診斷檢修

隨著機(jī)械傳動齒輪在機(jī)械制造業(yè)中的使用越來越廣泛，它的檢修技術(shù)與診斷技術(shù)將會不斷進(jìn)行推廣，更多的人將會掌握這一技術(shù)。運(yùn)用科學(xué)的方法，不斷引進(jìn)國際先進(jìn)儀器與技術(shù)，更加熟悉齒輪的運(yùn)行規(guī)律，才能更好地判斷齒輪的故障問題與解決辦法，更好地為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)齒輪傳動最大的能力。齒輪傳動的失效是機(jī)械設(shè)備失效的形式之一，是指在運(yùn)行中失去設(shè)計功能或者發(fā)生損傷失效。通過對大量事故進(jìn)行分析，人們認(rèn)識到失效分析工作的重要性。在許多現(xiàn)代的先進(jìn)企業(yè)中，失效分析已成為一項(xiàng)重要的工作。

1.機(jī)械傳動齒輪失效的檢修

檢修失效的機(jī)械傳動齒輪主要有幾種情況：首先是齒輪有裂紋出現(xiàn)或是齒面斷裂時，就需要報廢了;二是當(dāng)齒輪輪齒的表面點(diǎn)蝕損壞占整個輪齒表面的三成以上，深度達(dá)到10%以上，或者點(diǎn)蝕面積超過60%，就需要報廢處理;三是對于齒輪的磨損，它對于不同的應(yīng)用機(jī)構(gòu)有著不同的要求。對于一般的提升機(jī)構(gòu)而言，安全系數(shù)較高，磨損齒厚不應(yīng)該低于原厚度的80%;對于一般性的運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，齒輪的磨損不應(yīng)該低于60%，如果超出此范圍，則需要更換齒輪結(jié)構(gòu)了。第四，為避免膠合現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)該采用高粘度的潤滑油，因?yàn)槟z合會發(fā)生在低速但載荷力較大的場合，這個時候除了加潤滑油外，還需要提高齒輪面的硬度、減少齒面的表面粗糙度。加入潤滑油，對于點(diǎn)蝕失效、磨損失效都有較佳效果。針對不同的失效模式的齒輪有著不同的檢修方法。對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)使用的齒輪出現(xiàn)磨損情況時，一般潤滑油過少或者間隙過小，它的排除方法就是減少負(fù)荷，增加潤滑油;針對齒頂變尖的現(xiàn)象，可以增加齒輪的齒心距，或改用變位齒輪;針對齒形出現(xiàn)波紋磨損時，需要增加潤滑油。

2.機(jī)械工程中齒輪失效形式

2.1齒輪折斷

在機(jī)械工程中，齒輪折斷有著很大的危險性，這類現(xiàn)象的發(fā)生直接導(dǎo)致齒輪最終失效。按照其引發(fā)機(jī)制可分為疲勞折斷、過載折斷以及隨機(jī)折斷。齒輪在循環(huán)載荷的作用影響下，齒根處將會集中較大的彎曲應(yīng)力，長此以往，如果集中的應(yīng)力超出了齒輪的疲勞極限，那么就容易在齒根圓角部位出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著齒輪循環(huán)次數(shù)和工作時間的的增加，經(jīng)過長期的重復(fù)工作，疲勞裂紋將會不斷加深擴(kuò)展，終將出現(xiàn)疲勞斷裂。有較多的因素可以預(yù)防齒輪形成疲勞斷裂，如齒輪設(shè)計時未能充分的估計實(shí)際荷載、齒根過渡圓角小、加工精度低、齒輪材料不當(dāng)?shù)鹊取?/p>

2.2齒面膠合

齒輪在機(jī)械運(yùn)動過程中，往往是進(jìn)行高速重載傳動，齒輪在發(fā)生傳動時，機(jī)械摩擦力做功會使齒合區(qū)的溫度上升，這就在一定程度上破壞了潤滑油膜，進(jìn)而導(dǎo)致兩個齒面金屬直接接觸，且相互粘連，進(jìn)而在齒面進(jìn)行相對滑動，相對較軟的齒面金屬則會隨著齒輪的滑行方向被撕下，并產(chǎn)生溝紋，齒輪發(fā)生的這種現(xiàn)象則稱為膠合。結(jié)合齒面膠合的不同原因和特征，可將其分為破壞性膠合、輕微膠合、局部膠合及中等膠合等。齒輪若發(fā)生齒面膠合后，將會引發(fā)強(qiáng)烈的發(fā)熱現(xiàn)象和磨損、出現(xiàn)不平穩(wěn)的傳動，甚至是導(dǎo)致齒輪報廢。

2.3齒面點(diǎn)蝕

在工作過程中，齒輪齒合表面上的每一個點(diǎn)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力都是根據(jù)其工作狀態(tài)進(jìn)行變化的。如果齒面的接觸應(yīng)力大于材料的接觸應(yīng)力的極限值時，那么將會有一些細(xì)微的疲勞裂紋在齒面表層形成，隨著裂紋的擴(kuò)展，逐漸剝落齒輪表層的金屬微粒，進(jìn)而出現(xiàn)一些細(xì)小的坑洼，又被俗稱為點(diǎn)蝕麻坑。齒面在出現(xiàn)點(diǎn)蝕后，其承載面積將會減少，引發(fā)噪音或沖擊，甚至?xí)蹟帻X輪。倘若齒輪的點(diǎn)蝕面積大于齒寬、齒高的60%，則要對零件進(jìn)行更新。

2.4齒面磨損

齒面磨損通常有兩種形式：一種是齒面進(jìn)入了砂粒、鐵屑等硬質(zhì)屑粒，進(jìn)而形成磨粒磨損現(xiàn)象，另一種是齒輪表面的相互摩擦而形成研磨磨損。當(dāng)齒輪表面出現(xiàn)過渡磨損后，會大量的磨損工作表面材料，破壞齒輪形狀，極易引發(fā)嚴(yán)重的振動和噪音，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪傳動失效。所以，在關(guān)鍵的重要齒輪中，齒面磨損要小于原齒厚度的10%，而對于一般齒輪的齒面磨損，則是根據(jù)設(shè)備的用途小于20%-30%，應(yīng)及時更換超過標(biāo)準(zhǔn)的齒輪。

3.預(yù)防機(jī)械工程齒輪失效措施

3.1提高齒輪安裝精度

齒輪材料的選擇，要根據(jù)強(qiáng)度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。結(jié)合我國實(shí)際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對于承受重載和沖擊載荷的齒輪，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材;對于負(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Ni的Ni-Mn鋼。用這種鋼材制造的齒輪與普通電爐鋼制造的齒輪相比，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3-5倍，齒輪極限載荷可提高15%-20%。

3.2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。先對齒輪進(jìn)行滲碳、滲氮等熱處理，在對齒面、齒根等關(guān)鍵部位噴丸強(qiáng)化，即提升了表層向芯部過渡的區(qū)域抗剪強(qiáng)度又提高了齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度（30%～50%）。此外正確的安裝運(yùn)行，選用合理的潤滑油等措施都可以起到防止及減緩齒輪失效的作用。根據(jù)相關(guān)資料顯示，齒輪失效事故中，由于不當(dāng)?shù)臐櫥l(fā)的機(jī)械事故占20%，潤滑不足而引發(fā)的機(jī)械事故占有的比例為35%?？梢钥闯鲞^半的機(jī)械事故是因?yàn)闈櫥瑔栴}引發(fā)的?？梢姡X輪在使用過程中選用較好的潤滑油的意義非常重要

4.結(jié)束語

據(jù)資料顯示，機(jī)械故障的34.4%源于潤滑不足，19.6%源于潤滑不當(dāng)，換句話說，以54%的機(jī)械故障是由于潤滑問題所致。因此，選擇好的齒輪油對提高齒輪使用壽命有重要的意義。為了確保齒輪的強(qiáng)度和硬度，決定采用氬弧焊合金焊絲堆焊修復(fù)，后用磨光機(jī)整形處理方案，這樣焊后的齒輪輪齒少不經(jīng)熱處理達(dá)到較高的硬度和強(qiáng)度。通過對齒輪失效形式的分析，可提高準(zhǔn)確判別設(shè)備故障的能力，及時解除故障，提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶紅.齒輪的失效原因及修復(fù)方法[J].機(jī)械工程.2012

[2]劉鵬德.齒輪的失效及預(yù)防研究[J].科技縱橫.2014