機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問(wèn)題分析與應(yīng)對(duì)策略

摘 要：在隧道工程機(jī)械設(shè)備故障中，機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效問(wèn)題極為常見(jiàn)。而齒輪失效會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備應(yīng)用造成極大地不良影響?；诖?，本文對(duì)機(jī)械傳動(dòng)齒輪的失效問(wèn)題進(jìn)行了探究。分析了機(jī)械傳動(dòng)齒輪的運(yùn)行特征以及常見(jiàn)的齒輪失效形式，并在此基礎(chǔ)之上提出了應(yīng)對(duì)策略。希望可以為工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備;機(jī)械傳動(dòng)齒輪;齒輪失效

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.008

0 前言

機(jī)械齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)因各種原因而出現(xiàn)失效。一旦出現(xiàn)失效問(wèn)題，需要立即排查失效原因并及時(shí)地更換齒輪，以免對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常應(yīng)用造成影響。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)齒輪的加工和使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)行特點(diǎn)和易導(dǎo)致齒輪失效的關(guān)鍵性因素進(jìn)行總結(jié)，并在工作中做好防范措施。

1 機(jī)械傳動(dòng)齒輪的特征

機(jī)械齒輪具有極高的傳動(dòng)效率和穩(wěn)定性。在傳動(dòng)效率方面，機(jī)械齒輪的傳動(dòng)效率可以居于機(jī)械傳動(dòng)效率首位。一般而言，機(jī)械傳動(dòng)齒輪的工作效率可以達(dá)到99%，正是因?yàn)闄C(jī)械齒輪具有這種特點(diǎn)，所以才得到了極為廣泛的應(yīng)用。而在穩(wěn)定性方面，穩(wěn)定性是機(jī)械齒輪實(shí)現(xiàn)可靠傳動(dòng)的根本。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械齒輪的正常傳動(dòng)使用，就必須確保其具有可靠性。

2 機(jī)械傳動(dòng)齒輪的失效類(lèi)型

2.1 因齒輪折斷而失效

齒輪折斷是機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的主要原因之一。產(chǎn)生這種情況的原因有二。第一是齒輪因過(guò)度運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生疲勞進(jìn)而折斷。在此情況下，機(jī)械齒輪在其運(yùn)轉(zhuǎn)期間必然出現(xiàn)受力不合理的問(wèn)題;當(dāng)其受力于較高的比懸臂梁時(shí)，齒輪根部就會(huì)因壓力而形成彎曲性應(yīng)力，則齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)期間的疲勞程度就會(huì)大幅上升;長(zhǎng)此以往，在齒輪的根部圓角處會(huì)出現(xiàn)裂紋[1]。如果未及時(shí)地對(duì)這種情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致根部裂紋持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而出現(xiàn)齒輪折斷。第二是因齒輪負(fù)載過(guò)大而出現(xiàn)折斷。如果機(jī)械齒輪在進(jìn)行傳動(dòng)時(shí)，承受了超出限額的沖擊性負(fù)載，那么齒輪就會(huì)出現(xiàn)磨損破裂，進(jìn)而被折斷。若齒輪因這種問(wèn)題而折斷，那么其折斷位置并不固定，而且斷面會(huì)十分粗糙。

2.2 因齒面變形而折斷

如果齒輪處于低速超重的負(fù)荷運(yùn)傳動(dòng)狀態(tài)下，其表面則會(huì)因?yàn)辇X輪滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦;此時(shí)，摩擦力與表面的應(yīng)力相結(jié)合，會(huì)使得齒輪表面出現(xiàn)塑性流動(dòng)。這種塑性流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致齒輪的表面出現(xiàn)塑性變形，而且變形位置常見(jiàn)于齒輪的頂部。當(dāng)齒面出現(xiàn)塑性變形時(shí)，常常伴有飛邊情況，極易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。

3 機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的應(yīng)對(duì)策略

3.1 優(yōu)化機(jī)械齒輪加工工藝

齒輪加工工藝的合理性和有效性對(duì)齒輪的使用效果產(chǎn)生極大地影響。為了避免出現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的問(wèn)題，相關(guān)工作人員必須加強(qiáng)對(duì)齒輪加工工藝的把控。在實(shí)踐操作中，應(yīng)該將粗齒輪和精齒輪分離，并且并在完成機(jī)械齒輪粗切后再進(jìn)行精滾加工。齒輪加工的精度必須滿足其實(shí)際應(yīng)用的精度需求。需要注意的是，齒輪的精度必須超過(guò)9級(jí)，而且粗滾作業(yè)偏差不得超過(guò)0.03mm。在磨齒拋光階段，技術(shù)人員可以選擇使用電拋光或震動(dòng)拋光兩種形式;完成拋光以后，齒輪的表面粗糙程度應(yīng)得到有效提高。為了保證齒輪的使用效果，操作人員應(yīng)該合理地應(yīng)用大圓弧的齒根，并根據(jù)實(shí)際需求對(duì)齒面和齒形進(jìn)行修正;工作中務(wù)必要消除或減輕嚙合干涉問(wèn)題，降低齒根在工作時(shí)的接觸應(yīng)力，提高齒輪的彈性柔度。當(dāng)加工人員開(kāi)始進(jìn)行修飾性加工時(shí)，應(yīng)在磨齒和研齒階段將齒輪的接觸應(yīng)力從15%提高到25%左右;而在對(duì)機(jī)械輪齒進(jìn)行修型時(shí)，則需要合理加工，使其使用壽命提高至少2倍，并將其彎曲壓力至少減少五分之一，以達(dá)到降噪減污的目的。需要注意的是，齒胚加工時(shí)必須多次應(yīng)用切削加工以及熱處理技術(shù)，這樣才可以從根本上避免齒輪的傳動(dòng)失效問(wèn)題。而且，如果切齒刀具的韌性和耐磨性都比較高，而且其實(shí)際硬度大于工件的硬度，則這種道具的切削效果會(huì)比較明顯。所以，進(jìn)行切齒時(shí)，一定要合理地選擇刀具。

3.2 優(yōu)化齒輪的硬化處理工藝

齒輪的表面硬度、齒輪表層向芯過(guò)渡的實(shí)際剪切強(qiáng)度和剪應(yīng)力比值都會(huì)影響齒輪的實(shí)際承載力[2]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這種比值不可以超過(guò)0.55。目前，深層性滲碳淬火法是最為有效的齒輪硬化處理方法。該方法的應(yīng)用不僅可以減少過(guò)渡區(qū)的殘余拉力，而且還可以得到較高的芯部硬度和較深的硬化層。應(yīng)用這種方法進(jìn)行硬處理，應(yīng)該將齒面的實(shí)際碳含量控制在0.8%-1%之間，而且其表面至芯的硬度梯度必須最佳和緩狀態(tài)。通常來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)了深層性滲碳淬火，齒輪的表面硬度可以達(dá)到HRC58-62，若是想進(jìn)一步消除其表面應(yīng)力，就必須對(duì)熱加工處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。比如，可合理地應(yīng)用氮碳共滲法，將氮的實(shí)際滲入深度控制在0.2mm左右，這樣就可以實(shí)現(xiàn)齒面的深度硬化。

3.3 優(yōu)化齒輪的潤(rùn)滑工藝

當(dāng)完成齒面硬化后，將對(duì)齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑加工。應(yīng)該將機(jī)械齒輪形成的磨損性實(shí)效與潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)有效分離。在對(duì)齒輪進(jìn)行契合加工時(shí)，除了部分需要切點(diǎn)以外，其他部分都需要進(jìn)行滾滑式運(yùn)動(dòng)，其特性應(yīng)該與彈性流體的動(dòng)力性潤(rùn)滑理論相符。對(duì)于齒輪而言，潤(rùn)滑工藝的有效性將直接影響其使用壽命，所以相關(guān)人員必須加強(qiáng)潤(rùn)滑工藝優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)潤(rùn)滑理論，彈性流體的動(dòng)力性潤(rùn)滑理論更為有效;該理論可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械齒輪表面的局部彈性變量的實(shí)際數(shù)據(jù)的把控，并且可以根據(jù)其剛性邊界，潤(rùn)滑油膜的實(shí)際厚度需求計(jì)算出來(lái)。在機(jī)械齒輪的潤(rùn)滑工藝流程中，潤(rùn)滑工藝?yán)碚摰膽?yīng)用對(duì)潤(rùn)滑油膜壓力的分布狀況以及其形狀都具有十分大的影響。所以，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)機(jī)械齒輪潤(rùn)滑參數(shù)時(shí)，必須要根據(jù)其特點(diǎn)和潤(rùn)滑需求，合理地選擇潤(rùn)滑油的種類(lèi)和使用方式。

4 結(jié)論

總而言之，為了保證機(jī)械傳動(dòng)齒輪的正常運(yùn)行，相關(guān)工作人員必須優(yōu)化齒輪的加工工藝，并在其使用過(guò)程中加強(qiáng)管理，以延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。在工作中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，全面把握機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的原因和其故障特點(diǎn)，依據(jù)實(shí)際情況選取最為有效的解決策略，提高機(jī)械傳動(dòng)齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：鄒子良（1986-），男，安徽淮南人，大專(zhuān)，助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。