機(jī)械變速箱的齒輪失效作用分析及改進(jìn)

鄭健

摘要：齒輪是機(jī)械變速箱的關(guān)鍵零部件，在維持設(shè)備持續(xù)運(yùn)行能力發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用。以此開展了機(jī)械變速箱的齒輪失效作用分析及改進(jìn)研究。針對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦失效、機(jī)械變速箱微震失效及齒輪沖蝕作用是失效3個(gè)方面的問題，提出更換齒輪原材料、使用化學(xué)藥品、隔離劑等具有潤(rùn)滑作用的試劑鍍層齒輪內(nèi)部機(jī)體、調(diào)整軟韌性材料運(yùn)轉(zhuǎn)角度等改進(jìn)措施。提升齒輪在變速箱的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械變速箱;齒輪失效;作用分析;改進(jìn)

0? 引言

工業(yè)的發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備的革新，盡管大規(guī)模使用機(jī)械設(shè)備可提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，但在使用中會(huì)不可避免的出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備故障抑制生產(chǎn)活動(dòng)持續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象發(fā)生，變速箱作為機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵零部件之一，在維持設(shè)備運(yùn)行過程中起到了重要的作用。結(jié)合目前對(duì)于機(jī)械變速箱的研發(fā)，線路總成的可靠性是評(píng)估設(shè)備綜合性質(zhì)量的有效方法之一。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行失效的主要模式，主要是指在設(shè)備運(yùn)行過程中，由于設(shè)備齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)受到外界因素的控制，導(dǎo)致整體機(jī)械設(shè)備功能發(fā)生損傷性失效[1]。機(jī)械變速箱在運(yùn)行過程中會(huì)由于設(shè)備潤(rùn)滑能力較差、清潔不完全或變速箱安裝階段的操作不規(guī)范，造成設(shè)備齒輪磨損，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪失效。失效作用共分為齒輪粘著失效、齒輪擦傷失效或腐蝕性失效，無論任何一種失效作用均會(huì)對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)造成損傷、內(nèi)部材料損耗。作用分析主要是指采用多種技術(shù)手段，檢索機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)失效的原因，并根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，制定合理的故障改進(jìn)措施，避免相同失效作用的反復(fù)出現(xiàn)，以此可證明分析機(jī)械設(shè)備變速箱的齒輪失效作用是提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的主要手段。為機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)層面支持。

1? 機(jī)械變速箱的齒輪失效作用分析

結(jié)合接卸變速箱在設(shè)備中的應(yīng)用方式及實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，下述將從3個(gè)方面，開展機(jī)械變速箱齒輪失效作用的詳細(xì)分析。分析機(jī)械變速箱內(nèi)齒輪的磨損現(xiàn)狀，由于齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)與設(shè)備機(jī)體表層產(chǎn)生摩擦，發(fā)生滑動(dòng)或滾動(dòng)作用，滑動(dòng)摩擦持續(xù)一段時(shí)間，設(shè)備內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量熱量，降低潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用。此外，滑動(dòng)摩擦?xí)?dǎo)致設(shè)備構(gòu)成原材料受到損害，導(dǎo)致滑道上堆積部分材料顆粒，抑制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。齒輪在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，渣料顆粒嵌入設(shè)備表層，造成機(jī)體內(nèi)部表層凸起，或鍥入轉(zhuǎn)入角（/迎角）內(nèi)，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)造成一定程度的影響。如圖1所示。

根據(jù)圖1中表述信息，隨著齒輪迎角角度的增大，齒輪受到切削的截面面積逐步增大，呈現(xiàn)正向相關(guān)函數(shù)關(guān)系[3]。齒輪受到磨削失效作用影響相對(duì)平穩(wěn)，及角a大于20時(shí)，處于失效可調(diào)節(jié)狀態(tài)，經(jīng)過多次齒輪磨粒實(shí)驗(yàn)，齒輪中粒度值或粒度尺寸大小同樣會(huì)對(duì)齒輪失效造成影響，成為抑制變速箱持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵元素之一。

機(jī)械變速箱微震通常發(fā)生在機(jī)械設(shè)備緊配摩擦區(qū)間，包括齒輪中心軸與軸承孔洞連接誤差，齒輪螺絲扣與設(shè)備機(jī)體連接過松或過緊，編織繩纏繞次數(shù)過多等，上述提出的措施產(chǎn)生的震動(dòng)頻率通常在30～500微米之間，此時(shí)狀態(tài)下產(chǎn)生的微陣為造成齒輪與機(jī)體表面在較短時(shí)間內(nèi)的大量反復(fù)接觸。若變速箱安裝原材料為鐵、銅等金屬，極易在微震狀態(tài)下金屬發(fā)生物理作用，例如，鐵、銅金屬的氧化，變速箱內(nèi)壁隨之產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，并在微震狀態(tài)下掉落金屬殘?jiān)?，掉落的殘?jiān)栏皆谧兯傧鋬?nèi)壁上，對(duì)設(shè)備齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)造成不可逆的損害，嚴(yán)重狀態(tài)下會(huì)造成變速箱管線斷裂。

齒輪沖蝕作用是失效檢測(cè)中極易被忽視的失效作用之一，主要是指齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中由于空氣中細(xì)微的化學(xué)物質(zhì)或水汽帶來的分子顆粒，沖刷變速箱機(jī)體，在表面形成一層新的保護(hù)鍍層，盡管對(duì)機(jī)體化學(xué)反應(yīng)造成一定的抑制作用，但會(huì)對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中的形變?cè)斐捎绊?。尤其固體離子當(dāng)摩擦溫度升高時(shí)，在空間中游離速度最高可達(dá)55～65m/s，在齒輪反復(fù)形變的過程中對(duì)其造成一定的沖擊力，降低性便可持續(xù)能力。硬質(zhì)材料受到固體離子超過600的沖擊時(shí)，會(huì)基于其脆性物理性質(zhì)導(dǎo)致齒輪嚴(yán)重受損，且溫度與粒子運(yùn)動(dòng)速度兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快，產(chǎn)生摩擦力越大，管體內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)升高，粒子運(yùn)動(dòng)速度提升，對(duì)齒輪造成的沖擊力強(qiáng)度加大，造成機(jī)械變速箱的齒輪失效。

2? 改進(jìn)措施

根據(jù)上述開展的機(jī)械變速箱齒輪失效作用分析，明確了齒輪失效的主要原因，以此下述將從3個(gè)方面提出合理的改進(jìn)策略。其一，按照機(jī)械設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)流程安裝變速箱齒輪，更換齒輪原材料，在提升齒輪形變能力的同時(shí)，提高機(jī)體的綜合硬度。或在使用原始材料的基礎(chǔ)上，引入第二材質(zhì)材料，提升齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中自身的切削能力，在硬力程度較高的條件下，析出高質(zhì)材料，或塑形硬化材料，提供齒輪可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)材料方面支持[4]。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)脆性情況的齒輪，可采用提升機(jī)體材料力度的方式，改善其脆性特點(diǎn)。增加機(jī)體內(nèi)部的潤(rùn)滑程度，滴澆橄欖油、潤(rùn)滑油，防止生產(chǎn)碎渣或直徑大于1微米的磨粒與機(jī)體內(nèi)部表層之間接觸。

其二，在齒輪安裝初期，使用專業(yè)設(shè)備磨砂紙打磨齒輪與機(jī)體直接接觸面，提高表層之間的平滑而航都，降低平面粒度值，進(jìn)而降低微區(qū)震動(dòng)幅度，減少掉落的碎渣，減小微震區(qū)域接觸應(yīng)力數(shù)值[5]。同時(shí)，使用化學(xué)藥品、隔離劑等具有潤(rùn)滑作用的試劑，不但可避免金屬長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中氧化，同時(shí)可在齒輪內(nèi)部形成一層新的機(jī)體保護(hù)鍍膜，對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)起到隔離保護(hù)作用。由于齒輪微震失效是由于電化學(xué)對(duì)齒輪產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕，因此，應(yīng)配套齒輪螺絲與機(jī)體，加緊配套裝置，降低微震產(chǎn)生的概率。此外，增設(shè)摩擦隔離層，包括在齒輪間隙中填充四氟乙烯化學(xué)填充劑，安裝設(shè)備隔絕套或隔絕膜，配對(duì)材料與支持材料，避免由于金屬性質(zhì)不同造成失效影響。

其三，針對(duì)上述提出的齒輪沖蝕失效作用，首先應(yīng)將軟韌性材料運(yùn)轉(zhuǎn)角度調(diào)整至30°，提供齒輪沖擊角緩沖區(qū)域，避免對(duì)齒輪的直接傷害，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整沖擊角角度值可有效的降低壓力值。其次，降低齒輪內(nèi)部表層粗糙程度，調(diào)整齒輪正確運(yùn)轉(zhuǎn)形狀，避免微力區(qū)域過于集中導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)故障。最后，鍍層外部金屬，調(diào)整齒輪軸向力作用，縮短齒輪中心軸間隙，降低由于齒輪形變帶來的壓力誤差。

3? 結(jié)束語

齒輪失效會(huì)直接影響機(jī)械設(shè)備的可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況下威脅設(shè)備安全，造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，以此本文開展了機(jī)械變速箱的齒輪失效作用分析及改進(jìn)的研究。由于機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中可對(duì)齒輪造成影響的因素較多，因此，有關(guān)調(diào)研人員應(yīng)不斷加強(qiáng)及完善機(jī)械設(shè)備的更新，查找出現(xiàn)齒輪失效的詳細(xì)原因，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，評(píng)估不同失效作用權(quán)重比值，設(shè)計(jì)專門數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)齒輪失效數(shù)據(jù)，一經(jīng)發(fā)生相似齒輪失效，可在最快時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，提出改進(jìn)策略，進(jìn)而保障變速箱的持續(xù)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王榮.風(fēng)能發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的失效分析與預(yù)防（待續(xù)）第2講齒輪的失效分析與預(yù)防[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2019，55（10）：667-675.

[2]吳仕賦，任明輝，賈軍風(fēng)，陳亮.B_（10）150萬公里變速器的齒輪失效分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（09）：228-231，235.

[3]靳紅玲，陳雨，張軍昌，侯俊才，陳軍.虛實(shí)結(jié)合技術(shù)在汽車變速箱拆裝實(shí)踐中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（39）：143-144.

[4]王聰，秦毅，張林濤.不同路面對(duì)配有AT自動(dòng)變速箱的汽車的最低穩(wěn)定車速的影響的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（02）：111-112，117.

[5]甄鵬厚，王月行，安海珍，董志磊，李華君.行車路試的工程機(jī)械液力傳動(dòng)油長(zhǎng)壽命周期[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，16（05）：467-470.