機械齒輪故障及失效的優(yōu)化措施

劉興龍

摘要：工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展極大地推動了生產(chǎn)力的發(fā)展，而在此過程中各種工業(yè)機械的出現(xiàn)是促進工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的一個重要原因，在機械設(shè)備使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)齒輪故障及失效的問題，如果不能及時解決將會影響工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。本文通過對機械齒輪故障種類及損傷原因進行了分析，并且最終提出了相應的優(yōu)化措施，希望能夠幫助企業(yè)減少生產(chǎn)過程中的齒輪失效問題，從而保證其生產(chǎn)工作的順利進行。

關(guān)鍵詞：機械齒輪;設(shè)備;失效;優(yōu)化措施

引言

機械齒輪在傳動過程中會因各種原因而出現(xiàn)失效。一旦出現(xiàn)失效問題，需要立即排查失效原因并及時地更換齒輪，以免對機械設(shè)備的正常應用造成影響。相關(guān)技術(shù)人員應該根據(jù)機械傳動齒輪的加工和使用經(jīng)驗，對其運行特點和易導致齒輪失效的關(guān)鍵性因素進行總結(jié)，并在工作中做好防范措施。

1 機械齒輪故障種類及損傷原因

1.1 齒輪斷齒而失效

輪齒斷裂簡稱斷齒，是一種常見的損傷形式。從斷齒的形式來看，有單齒折斷、多齒折斷和局部折斷。在使用中最典型的是疲勞斷齒和過載斷齒。產(chǎn)生這種情況的原因有二。第一是齒輪因過度運轉(zhuǎn)發(fā)生疲勞進而折斷。在此情況下，機械齒輪在其運轉(zhuǎn)期間必然出現(xiàn)受力不合理的問題;當其受力于較高的比懸臂梁時，齒輪根部就會因壓力而形成彎曲性應力，則齒輪運轉(zhuǎn)期間的疲勞程度就會大幅上升;長此以往，在齒輪的根部圓角處會出現(xiàn)裂紋[1]。如果未及時地對這種情況進行調(diào)節(jié)，會導致根部裂紋持續(xù)擴大，進而出現(xiàn)齒輪折斷。第二是因齒輪負載過大而出現(xiàn)折斷。如果機械齒輪在進行傳動時，承受了超出限額的沖擊性負載，那么齒輪就會出現(xiàn)磨損破裂，進而被折斷。若齒輪因這種問題而折斷，那么其折斷位置并不固定，而且斷面會十分粗糙。

1.2齒面接觸疲勞失效

如果齒輪處于低速超重的負荷運傳動狀態(tài)下，其表面則會因為齒輪滑動而產(chǎn)生摩擦;此時，摩擦力與表面的應力相結(jié)合，會使得齒輪表面出現(xiàn)塑性流動。這種塑性流動會導致齒輪的表面出現(xiàn)塑性變形，而且變形位置常見于齒輪的頂部。當齒面出現(xiàn)塑性變形時，常常伴有飛邊情況，極易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。齒面接觸疲勞的基本形態(tài)是齒的點蝕和齒面剝落。

（1）點蝕

點蝕有局限性點蝕和發(fā)展性點蝕。局限性點蝕出現(xiàn)在表面粗糙度較大的軟吃面齒輪上，初期出現(xiàn)后可以自愈，對齒輪的繼續(xù)使用沒有影響。發(fā)展性點蝕出現(xiàn)在硬齒面齒輪上，是航空發(fā)動機齒輪的一種主要破壞形式。由于點蝕造成的斷齒情況很少，因此，設(shè)計上齒面接觸疲勞的安全系數(shù)比輪齒彎曲疲勞安全系數(shù)取的低。

（2）剝落

按其機理可分為連續(xù)型剝落、次表層剝落和表面層壓碎三種。連續(xù)型剝落是初期點蝕在過大應力作用下形成的，其特點是蝕坑大而深，邊緣輪廓清晰而形狀不規(guī)則，常發(fā)生在中硬度材料的齒輪上。次表層剝落源于表面層，當接觸表面的壓力超過臨界值時，使表層開裂，形成淺而大的剝落坑。表層壓碎是由于熱處理缺陷，在硬化層與心部過渡處產(chǎn)生較大的硬度梯度和有害的殘余力，使該處的應力超過材料的極限應力所致。

1.3 膠合破壞而失效

膠合是相嚙合齒面間的一種黏著磨損。傳動齒輪在超負荷使用過程中，齒輪工作溫度異常升高，進而受到重載作用影響導致其接觸面油膜擠破，出現(xiàn)膠合破壞問題。同時，由于兩齒面間的相對運動使黏著的金屬被撕傷，從而產(chǎn)生膠合失效，而在傳動齒輪所附著潤滑油量過少時，也有可能出現(xiàn)膠合磨損問題。

1.4 齒輪輪體破壞而失效

設(shè)備在運行過程中，工作環(huán)境中所濺射各類顆粒物質(zhì)進入設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，并在傳動齒輪運動過程中與其進行接觸，加大齒輪磨損程度。齒輪輪體破壞是高速、重載航空齒輪的一種常見的破壞形式，尤其是由于齒輪共振引起是齒體破壞在國內(nèi)外各機種中曾多次發(fā)生。輪體破壞分從輪緣開始擴展的疲勞破壞，從輻板開始擴展及從輪轂開始擴展的疲勞破壞等三種形式。

2 機械傳動齒輪失效的優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化機械齒輪加工工藝

齒輪加工工藝的合理性和有效性對齒輪的使用效果產(chǎn)生極大地影響。為了避免出現(xiàn)機械傳動齒輪失效的問題，相關(guān)工作人員必須加強對齒輪加工工藝的把控。在傳動齒輪機械加工環(huán)節(jié)中，要嚴格遵循“先滾刀、后精切”的加工順序原則，優(yōu)先對工件進行粗切處理，再對其進行精切加工，從而實現(xiàn)對傳動齒輪滾刀精度、切齒深度的有效控制。在齒形加工環(huán)節(jié)，確保加工精度達到相應等級，齒面粗糙度符合設(shè)計要求后，再對傳動齒輪開展磨齒、點曝光、齒面修行與齒形修緣加工作業(yè)。而在硬齒面加工環(huán)節(jié)，需要在條件允許前提下優(yōu)先采用磨削加工技術(shù)，對傳動齒輪的齒胚開展重復熱處理以及切削加工作業(yè)。

2.2 優(yōu)化齒輪的硬化處理工藝

齒輪的表面硬度、齒輪表層向芯過渡的實際剪切強度和剪應力比值都會影響齒輪的實際承載力[2]。在實際應用過程中，這種比值不可以超過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。該方法的應用不僅可以減少過渡區(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。應用這種方法進行硬處理，應該將齒面的實際碳含量控制在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)。通常來說，經(jīng)過了深層性滲碳淬火，齒輪的表面硬度可以達到HRC58-62，若是想進一步消除其表面應力，就必須對熱加工處理工藝進行進一步優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化齒輪的潤滑工藝

當完成齒面硬化后，將對齒輪進行潤滑加工。應該將機械齒輪形成的磨損性實效與潤滑實現(xiàn)有效分離。在對齒輪進行契合加工時，除了部分需要切點以外，其他部分都需要進行滾滑式運動，其特性應該與彈性流體的動力性潤滑理論相符。對于齒輪而言，潤滑工藝的有效性將直接影響其使用壽命，所以相關(guān)人員必須加強潤滑工藝優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)潤滑理論，彈性流體的動力性潤滑理論更為有效;該理論可以實現(xiàn)對機械齒輪表面的局部彈性變量的實際數(shù)據(jù)的把控，并且可以根據(jù)其剛性邊界，潤滑油膜的實際厚度需求計算出來。在機械齒輪的潤滑工藝流程中，潤滑工藝理論的應用對潤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)計機械齒輪潤滑參數(shù)時，必須要根據(jù)其特點和潤滑需求，合理地選擇潤滑油的種類和使用方式。

2.4 優(yōu)化齒輪表面強化處理

為了有效提高傳動齒輪的表面強度系數(shù)，保證其能滿足高強度工作的需要。因此，在變速器齒輪加工過程中，應優(yōu)先采取表面強化措施，并對齒面和齒根進行噴丸處理。通過齒輪表面強化處理，使用微小球形狀的彈丸不斷對傳動齒輪表面結(jié)構(gòu)進行撞擊，從而產(chǎn)生一定的殘余壓應力，壓應力在傳動齒輪的齒面次表面中進行集中，進而針對性提高齒根彎曲疲勞強度以及齒輪接觸疲勞強度系數(shù)，預防裂紋擴展等失效問題的出現(xiàn)。此外也將對傳動齒輪在機械加工過程中所殘留的各種刀痕、缺陷進行消除。

3 結(jié)論

總而言之，為了保證機械齒輪的正常運轉(zhuǎn)，相關(guān)人員必須優(yōu)化齒輪加工工藝，并加強對其使用過程的管理，以延長齒輪的使用壽命。為了提高機械傳動齒輪運行的穩(wěn)定性，應不斷總結(jié)經(jīng)驗，全面掌握機械傳動齒輪故障的原因及其故障特點，并根據(jù)實際情況選擇最有效的解決策略。

參考文獻：

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