齒輪常見故障教學(xué)實(shí)踐研究

孟 瑩

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650208）

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)械工程中，齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力最常用的零件，它可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，具有較長的使用壽命。在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程體系中，如何判斷齒輪失效，合理設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)是課程重要的知識結(jié)構(gòu)組成部分，同時(shí)也是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生在相關(guān)崗位工作中所需的重要能力。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，齒輪是傳動(dòng)裝置中的零件，允許力在不打滑的情況下完全傳遞，齒輪的設(shè)計(jì)和功能通常是密切相關(guān)的。各種類型的齒輪已被開發(fā)來執(zhí)行不同的功能。對于高速機(jī)械，可以改變轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，將原動(dòng)機(jī)提供的高轉(zhuǎn)速輸入轉(zhuǎn)換成具有較低轉(zhuǎn)速和較高轉(zhuǎn)矩的輸出。不同類型的齒輪特性在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材文本中都有所論述，而這些齒輪在使用過程中也會(huì)伴隨著因各種原因而造成的失效。在大多數(shù)情況下，除了噪聲和振動(dòng)的增加外，齒輪發(fā)生故障通常是所有機(jī)械部件問題的第一跡象。

齒輪失效的形式很多，如齒面磨損、膠合、點(diǎn)蝕或塑性變形、輪齒斷裂等。對齒輪而言，最常見的疲勞失效形式是齒面接觸疲勞和輪齒彎曲疲勞。導(dǎo)致疲勞產(chǎn)生的原因包括齒輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、齒輪裝配不正確、錯(cuò)位、過載或關(guān)鍵區(qū)域的次表面缺陷的意外應(yīng)力升高，以及使用不正確的材料和熱處理方法等。因此，熟悉齒輪失效形式并準(zhǔn)確判斷齒輪狀態(tài)是機(jī)械工程方向?qū)W生應(yīng)當(dāng)掌握的一個(gè)重要知識節(jié)點(diǎn)，而為此設(shè)計(jì)一套合理高效的授課形式尤為重要。相較于常規(guī)教學(xué)中的圖文形式，齒輪的常見故障教學(xué)中應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐比對、檢測和判斷。以下將對圍繞比對法、檢測法、判斷法的課堂實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行論述，該教學(xué)模式在圍繞齒輪常見故障的教學(xué)實(shí)踐中具有較好的效果。

1 齒輪失效分析

齒輪失效是指當(dāng)齒輪不再能有效完成其預(yù)定工作時(shí)，齒輪發(fā)生失效。齒輪失效可分為齒面失效（如擦傷、點(diǎn)蝕和磨損等）和輪齒失效（如彎曲和沖擊等）。齒輪失效可能在各種形式下發(fā)生，如果在設(shè)計(jì)階段采取措施，以防止各種失效的發(fā)生，則可發(fā)展出完善的齒輪設(shè)計(jì)。

1.1 擦傷

擦傷可能是由于接觸區(qū)域的潤滑失效產(chǎn)生，也可能是金屬與金屬直接接觸，由于金屬接觸而產(chǎn)生的焊接和撕裂作用迅速而連續(xù)地去除金屬，直到負(fù)載、速度和油溫保持在同一水平。同時(shí)，也將擦傷分為三種，即初始擦傷、適度擦傷和破壞性擦傷。

初始擦傷出現(xiàn)在先前加工留下的高點(diǎn)處，這些高點(diǎn)處的潤滑失效會(huì)導(dǎo)致初始擦傷。一旦這些高點(diǎn)被移除，當(dāng)載荷分布在更大的區(qū)域時(shí)，應(yīng)力就會(huì)降低。如果負(fù)載、速度和油溫保持不變或降低，擦傷將停止。初始擦傷是非漸進(jìn)式的，并有與之相關(guān)的糾正措施。初始擦傷后如果載荷、速度或油溫升高，擦傷將擴(kuò)展到更大的區(qū)域。擦傷以可接受的速度進(jìn)行，稱為適度擦傷。在初始擦傷后，如果載荷、速度或油溫明顯增加，則擦傷嚴(yán)重，重金屬撕裂區(qū)域迅速蔓延。擦傷通常發(fā)生在節(jié)線附近，并可能發(fā)生振動(dòng)。

1.2 磨損

磨損是一種表面現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，金屬層從輪齒的接觸面上或多或少均勻地被去除。磨損是指齒輪齒面材料的損失或去除。就齒輪失效而言，更多的是指齒輪齒廓形狀的破壞，磨粒磨損和黏著磨損是重要的磨損形式。

由于潤滑油或其他原因使得金屬屑末、砂粒、灰塵等雜質(zhì)落入齒輪嚙合表面，這些雜質(zhì)便成為磨料，當(dāng)表面被磨粒割斷時(shí)，便產(chǎn)生磨粒磨損。黏著磨損是由組成兩個(gè)接觸滑動(dòng)表面之間產(chǎn)生的高吸引力所引起的。輪齒在隨機(jī)的粗糙面上接觸，形成了牢固的結(jié)合，隨著兩者之間連接區(qū)域逐漸增大，較硬齒面會(huì)將較軟的齒面沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生撕滑溝槽，這種現(xiàn)象又稱為齒面膠合，是一種比較嚴(yán)重的磨損。腐蝕磨損通常是由潤滑油中的活性成分引起的，如酸、水分和極壓添加劑等，是由各類化學(xué)作用所造成的表面劣化。

1.3 輪面點(diǎn)蝕

輪面點(diǎn)蝕是輪齒的嚙合面承受很大的脈動(dòng)循環(huán)變化接觸應(yīng)力，長時(shí)間工作后齒面出現(xiàn)小片金屬剝落并在節(jié)線附近形成麻點(diǎn)狀凹坑。點(diǎn)蝕是一種最常見的疲勞破壞，同時(shí)也是一種特殊的剝落形式，它的產(chǎn)生往往是由于齒面受到的反復(fù)加載和接觸應(yīng)力超過材料表面疲勞強(qiáng)度而產(chǎn)生的。發(fā)生點(diǎn)蝕時(shí)，疲勞區(qū)的材料被移除，形成凹坑。凹坑本身會(huì)引起應(yīng)力集中，并很快擴(kuò)展到鄰近區(qū)域，直至整個(gè)表面被覆蓋。隨后，由點(diǎn)蝕引起的較高沖擊載荷可能會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)弱化的輪齒斷裂。但點(diǎn)蝕一般發(fā)生在數(shù)百萬個(gè)運(yùn)行周期后。點(diǎn)蝕通常有兩種類型，即初始點(diǎn)蝕和破壞性點(diǎn)蝕。

初始點(diǎn)蝕發(fā)生在磨合期間。在磨合期，表面上過大的峰值被移動(dòng)，并且在節(jié)線區(qū)域下方形成25～50 μm 深的小坑。隨后，載荷分布在更大的表面積上，應(yīng)力降低，此時(shí)點(diǎn)蝕可能會(huì)停止，這種現(xiàn)象在中等硬度齒輪中很常見。在磨合良好的齒輪上，因?yàn)樾纬傻狞c(diǎn)蝕在軋制作用下逐漸變得平滑，磨合后點(diǎn)蝕可能會(huì)停止，所以對傳動(dòng)性能沒有影響。

初始點(diǎn)蝕是非進(jìn)行性的。在初始點(diǎn)蝕過程中，如果負(fù)載較高而無法對初始點(diǎn)蝕采取糾正措施來抑制點(diǎn)蝕過程，則會(huì)導(dǎo)致破壞性點(diǎn)蝕開始。點(diǎn)蝕遍布整個(gè)齒長，會(huì)導(dǎo)致接觸表面承受更高的壓力，從而將潤滑劑擠壓到裂紋中。當(dāng)潤滑劑侵入裂紋后，在壓力的作用下，就有可能在裂紋內(nèi)受到擠脹，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。點(diǎn)蝕開始于齒側(cè)，由于滑動(dòng)速度低，在該節(jié)點(diǎn)處存在高摩擦力，然后蔓延到整個(gè)側(cè)面，一般發(fā)生在節(jié)線下方。硬齒面齒輪中，在交變應(yīng)力作用下可能引起微觀疲勞裂痕，從而導(dǎo)致材料從表面剝落。

1.4 輪齒折斷

齒輪最危險(xiǎn)的失效形式之一是輪齒折斷。伴隨著齒輪的損壞，同時(shí)還可能會(huì)損壞其他部件，如軸或軸承等。其中脆性斷裂是一種變形較小的快速斷裂，而韌性斷裂則會(huì)在齒輪零件斷裂前先發(fā)生變形。實(shí)際使用中也可能會(huì)同時(shí)發(fā)生脆性斷裂和韌性斷裂，我們稱為混合型斷裂。剪切斷裂是由單個(gè)齒的過載引起的，它從齒輪內(nèi)部的一個(gè)薄弱點(diǎn)開始，在這個(gè)薄弱點(diǎn)產(chǎn)生了超過材料強(qiáng)度所允許的應(yīng)力，從而隨著裂紋的增長，最后導(dǎo)致一個(gè)輪齒的折斷，根據(jù)斷裂發(fā)生的方式，可分為隨機(jī)斷裂、過載斷裂、根部、腹板或輪緣斷裂等。

2 齒輪失效教學(xué)

判斷齒輪失效，在機(jī)械檢修維護(hù)中具有重要意義。齒輪失效的預(yù)檢是機(jī)械設(shè)備檢修維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確預(yù)判和發(fā)現(xiàn)齒輪失效可以有效預(yù)防機(jī)械故障，保障機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。反之，在機(jī)械檢修維護(hù)過程中如果對齒輪失效進(jìn)行誤判和遺漏則有可能造成機(jī)械設(shè)備故障甚至嚴(yán)重事故。因此，掌握判斷齒輪失效的方法對機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生具有重要作用。

齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，在常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材中都有所涉及。其中，齒輪失效作為齒輪章節(jié)的重要組成部分，在教材中往往占據(jù)較大的篇幅。其中，圖文介紹便是常規(guī)教材中對齒輪失效的常見表述形式。也正因如此，語言描述和圖片介紹成為針對齒輪失效的常見講授方式。近年來，隨著工程技術(shù)發(fā)展，相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)強(qiáng)烈的一線技術(shù)員工用人需求，由此對專業(yè)學(xué)生知識掌握水平的要求也發(fā)生了改變，面對這一改變，圍繞比對法，判斷法，檢測法的課堂實(shí)踐教學(xué)模式正是對齒輪失效章節(jié)教學(xué)實(shí)踐的有效補(bǔ)充。

2.1 比對法

比對法是常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)針對齒輪失效教學(xué)的重要補(bǔ)充，同時(shí)也是系統(tǒng)學(xué)習(xí)齒輪失效的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。這里所指的比對，是在現(xiàn)有常規(guī)教材圖文描述基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)失效齒輪實(shí)物進(jìn)行比對，通過實(shí)際失效現(xiàn)象和圖文的對照，實(shí)現(xiàn)對齒輪失效中不同失效現(xiàn)象類型的對應(yīng)，從而產(chǎn)生更為直觀的印象。

2.2 判斷法

判斷法作為針對齒輪失效知識點(diǎn)的回顧和強(qiáng)化，對后續(xù)課程具有承上啟下的重要作用。這里所指的判斷，是在各類失效齒輪實(shí)物樣品中，嘗試判斷失效的類型及分析失效原因，通過辨識判斷故障齒輪，實(shí)現(xiàn)知識的強(qiáng)化鞏固。

2.3 檢測法

檢測法是機(jī)械檢修維護(hù)崗位實(shí)際工作實(shí)踐的模擬，同時(shí)也是檢測學(xué)生是否真正掌握齒輪失效相關(guān)知識的有效途徑。這里所指的檢測，是讓學(xué)生完全模擬齒輪組維護(hù)檢修場景，通過檢測手段及上述環(huán)節(jié)所學(xué)知識，檢測判斷齒輪組中故障失效齒輪，并判斷失效種類及其原因。檢測法作為齒輪失效教學(xué)課堂實(shí)踐教學(xué)模式的最后環(huán)節(jié)，通常在實(shí)際教學(xué)過程中作為對學(xué)生知識掌握情況的考核方式。

3 結(jié)語

本文簡要回顧了齒輪失效分析的研究現(xiàn)狀，討論了齒輪在不同區(qū)域工作時(shí)的疲勞失效。當(dāng)輪齒產(chǎn)生的應(yīng)力高于允許的安全極限，大多數(shù)齒輪的失效形式是疲勞斷裂、磨損和塑性變形。在這些條件下，接觸處產(chǎn)生的熱量要大得多，從而大大提高了膠合的可能性。通過在輪齒根部開減載孔，可以大大降低輪齒上產(chǎn)生的應(yīng)力。同時(shí)針對齒輪失效研究的最新進(jìn)展和長期教學(xué)實(shí)踐的結(jié)果反饋，闡釋一種高效直觀的教學(xué)實(shí)踐方式，設(shè)計(jì)針對齒輪失效的實(shí)踐課程體系并詳細(xì)解釋課程系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯。