淺述減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效及處理

霍亮

摘 ?要：機(jī)械長(zhǎng)期的運(yùn)行以及其運(yùn)行過程中出現(xiàn)的摩擦問題，會(huì)導(dǎo)致齒輪的傳動(dòng)出現(xiàn)故障。齒輪失效不僅是機(jī)械內(nèi)部運(yùn)行造成的，一些外部因素也會(huì)導(dǎo)致齒輪失效，因此，需要從多個(gè)角度對(duì)齒輪失效的形式進(jìn)分析，并結(jié)合其運(yùn)行環(huán)境找出造成齒輪失效的關(guān)鍵因素，進(jìn)而采取有效的解決措施提升齒輪運(yùn)行的壽命與效率。

關(guān)鍵詞：齒輪軸斷裂;失效;處理

1 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效常見問題

1.1 齒面疲勞

齒面疲勞指的是在齒輪的表面出現(xiàn)了裂紋，主要特征是金屬的移動(dòng)與凹坑，并使凹坑合并或使尺寸增大，具體有齒面點(diǎn)蝕和疲勞剝損2種。其中齒面點(diǎn)蝕是指在齒輪運(yùn)行中在高度接觸下，齒輪表面因?yàn)榻佑|應(yīng)力較大且超出了正常值，在超荷載影響下就會(huì)出現(xiàn)裂紋。比如齒輪節(jié)線就是最早出現(xiàn)的裂紋部分，在持續(xù)接觸應(yīng)力作用下齒輪表面上麻點(diǎn)應(yīng)力增大，齒輪表面會(huì)出現(xiàn)片狀金屬剝落，從而對(duì)齒廊產(chǎn)生破壞。關(guān)于疲勞剝損具體是指機(jī)械設(shè)備本身存在的潛在破壞，比如有較大顆粒物從齒面上脫落。一般來說，表面淬火的齒輪和硬齒面更容易發(fā)生疲勞剝損問題。

1.2 變形失效

在機(jī)械運(yùn)行過程中，時(shí)常受到多方面因素影響而出現(xiàn)傳動(dòng)齒輪嚙合不當(dāng)問題，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪扭曲變形，出現(xiàn)飛邊、齒面凹陷變形等一系列問題。此外在未及時(shí)開展傳動(dòng)齒輪潤(rùn)滑保養(yǎng)工作時(shí)，有可能出現(xiàn)齒面產(chǎn)生波紋、變形等失效問題。

1.3 輪齒折斷

輪齒折斷是齒輪常見的失效形式之一。在通常情況下，輪齒折斷有以下兩種情況：其一，疲勞斷齒。輪齒在重復(fù)的交變應(yīng)力作用下，由輪齒危險(xiǎn)截面產(chǎn)生疲勞源，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，直至剩余截面上的應(yīng)力超過輪齒的極限應(yīng)力，形成瞬時(shí)斷齒;其二，過載斷齒。如果負(fù)載過大會(huì)造成輪齒折斷的現(xiàn)象，當(dāng)輪齒在正常傳動(dòng)過程中，突然受到強(qiáng)大的沖擊，超出輪齒的負(fù)載能力范圍，或者是在制造、安裝齒輪時(shí)，精度不夠高，使得齒輪嚙合區(qū)偏載，傳動(dòng)過程中受到過大沖擊負(fù)荷后造成的齒輪折損或出現(xiàn)固定折損位置，并且有非常明顯的斷裂面。

2 失效原因分析

2.1 軸的失效

在附加載荷作用下，軸的撓度和扭轉(zhuǎn)角增大，將引起彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增加，加快軸的疲勞失效，隨著時(shí)間的推移，造成軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。同時(shí)，軸頸和軸承內(nèi)圈形成邊緣接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，接觸面積減小，加快軸頸的磨損。

2.2 軸承引起的失效

齒輪減速器使用的軸承為滾動(dòng)軸承，主要失效形式有疲勞點(diǎn)蝕、磨損和塑性變形。疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸處受脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的作用產(chǎn)生的;磨損是滾動(dòng)體和內(nèi)外圈相互摩擦運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)蝕剝落下來的金屬微粒進(jìn)入摩擦表面、潤(rùn)滑不良等原因造成的;塑性變形是軸承受過載或過大的沖擊載荷，使軸承元件永久變形產(chǎn)生的。

2.3 斷口原因分析

帶式輸送機(jī)使用中，用來輸送物料，物料從料斗中掉落在帶式輸送上，所以帶式輸送機(jī)載荷一直是在變化的，同時(shí)帶式輸送機(jī)因工作需要隨時(shí)停止和啟動(dòng)，存在重載啟動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員調(diào)查測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)其他同批帶式輸送機(jī)安裝存在問題，驅(qū)動(dòng)軸安裝同心度存在超差。結(jié)合試驗(yàn)，該高速軸工作時(shí)除受到扭力外，還受到由于安裝不同心造成的較大旋轉(zhuǎn)彎曲力，同時(shí)存在重載啟動(dòng)現(xiàn)象。致使該軸受到較大的額外應(yīng)力，在表面過早產(chǎn)生疲勞裂紋源，隨著時(shí)間的推移，該軸在工作中受到不斷變化載荷影響，疲勞裂紋不斷擴(kuò)大，直至最終斷裂。

3 齒輪失效解決措施

3.1 選材不斷優(yōu)化

選材的優(yōu)化應(yīng)從齒輪的工藝性能要求、韌性、強(qiáng)度要求等方面全面考慮并選擇最恰當(dāng)?shù)凝X輪材料。目前，最常使用的材料就是低碳合金滲碳鋼，含碳量相對(duì)比較低，卻能夠強(qiáng)化鋼的淬透性和耐磨性。所以，可以選擇冶金質(zhì)量較佳的電渣重熔合金剛或是真空脫氣精煉鋼，這主要是因?yàn)榇祟惒牧系募兌认啾雀撸?、氮或非金屬雜質(zhì)的含量過少，致密度相對(duì)來看反而更高，韌性和塑性也更強(qiáng)，繼而可以有效減少齒輪中的機(jī)械性能與各向異性。

3.2 熱處理

機(jī)械齒輪的承載能力不僅取決于表面硬度，還取決于表層向芯部過渡區(qū)的剪應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的比值，它不能大于 0.55。深層滲碳淬火是這種齒輪硬化處理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，較小的過渡區(qū)殘余拉應(yīng)力和充足的硬化層深度。齒面含碳量一般控制在 0.8%～1%為宜，由齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。滲碳齒輪經(jīng)過淬火和回火，表面硬度應(yīng)達(dá)到 HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘余內(nèi)應(yīng)力。推廣碳、氮共滲新工藝，氮的滲入深度一般控制在 0.2mm 以內(nèi)，它不但能硬化表層，還能產(chǎn)生壓應(yīng)力，可比單純滲碳齒輪的強(qiáng)度極限應(yīng)力提高 13%以上，壽命可提高 1 倍。熱處理后，尚需進(jìn)行油浴人工時(shí)效處理。

3.3 齒輪斷齒造成失效

齒輪斷齒造成的失效是整個(gè)機(jī)械工程中最為嚴(yán)重的情況，主要包括過載折斷、疲勞折斷隨機(jī)折斷等，對(duì)于過載折斷來說，是指齒輪受到一次或者多次嚴(yán)重過載時(shí)發(fā)生的斷齒，這種情況下，齒輪的斷口一般位于齒輪根部，斷口一般很平直且粗糙。疲勞折斷是指齒輪在長(zhǎng)時(shí)間高循環(huán)狀態(tài)下使得齒根部位產(chǎn)生疲勞裂紋，出現(xiàn)折斷，斷口可以劃分為疲勞斷口面和最終斷口面，疲勞斷口區(qū)域內(nèi)看不到塑性變形，疲勞折斷可能發(fā)生在齒輪的端部。隨機(jī)折斷一般也發(fā)生在齒輪根部，但是特殊情況也會(huì)出現(xiàn)在其他部位。對(duì)于防范齒輪折斷的措施有很多，可以增大齒根圓角半徑，消除這一部位的加工刀痕以便減少齒根的應(yīng)力集中，還可以增大軸及支撐物的剛度，以便減輕局部的受力程度，還可以對(duì)輪齒進(jìn)行噴丸、碾壓等冷作處理以便提高齒面。

3.4 正確的潤(rùn)滑劑

3.4.1結(jié)合工作實(shí)際情況使用

機(jī)械設(shè)備中的齒輪傳動(dòng)中的不同使用狀況、潤(rùn)滑地點(diǎn)潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑種類、加注潤(rùn)滑劑量及周期進(jìn)行準(zhǔn)確記載，已摸索和總結(jié)出齒輪傳動(dòng)正確使用潤(rùn)滑劑的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，并能依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪生產(chǎn)的規(guī)定進(jìn)行維修計(jì)劃的具體修訂，滿足現(xiàn)實(shí)齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑劑使用和變化，適時(shí)的調(diào)整潤(rùn)滑劑品種和劑量，確保齒輪傳動(dòng)順利的進(jìn)行。

3.4.2潤(rùn)滑劑的科學(xué)管理和使用

機(jī)械出現(xiàn)問題，很多時(shí)候和潤(rùn)滑劑量和潤(rùn)滑品種使用的不當(dāng)有關(guān)，所以要根據(jù)機(jī)械正常投入使用的標(biāo)準(zhǔn)把控潤(rùn)滑劑品種技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和控潤(rùn)滑劑使用劑量。一般情況下，使用正確的潤(rùn)滑劑品種和正常的潤(rùn)滑劑量時(shí)機(jī)械設(shè)備不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障，齒輪基本不會(huì)失效。不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑油品種和不足潤(rùn)滑油的計(jì)量以及超周期的加注，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障的致因因素。

4 減速機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng)

減速機(jī)的日常維護(hù)和保養(yǎng)主要是巡檢有無(wú)滲油，及時(shí)檢查箱內(nèi)液位，潤(rùn)滑情況是否良好，各處螺絲是否堅(jiān)固完好，定期檢查設(shè)備的溫度情況，運(yùn)行一段時(shí)間要用鉛絲咬入齒輪的齒合位，以測(cè)磨損情況。潤(rùn)滑油就是相當(dāng)重要了。

齒輪采用油池潤(rùn)滑和循環(huán)潤(rùn)滑兩種形式。潤(rùn)滑油要定期檢查更換，新安裝的減速機(jī)第一次使用時(shí)，在運(yùn)行了10天到15天是要及時(shí)更換新油，一般至少每半年更換一次，以后定期檢查油的質(zhì)量，在化驗(yàn)油質(zhì)量時(shí)，在出現(xiàn)下列情況時(shí)，須立即更換油，一是潤(rùn)滑油中異物含量超過2%，二是潤(rùn)滑油中金屬磨料超過0.5%，三是潤(rùn)滑油中含水量超過2%。軸承采用飛濺潤(rùn)滑，但每次拆洗重裝時(shí)，要加入適量的鈣鈉基潤(rùn)滑脂。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)工業(yè)化程度的加深，齒輪在傳動(dòng)件中的應(yīng)用越來越多。齒輪作為傳動(dòng)件中的重要組成工具，在機(jī)械工程中占據(jù)著重要位置，往往處在機(jī)械設(shè)施中的關(guān)鍵部位，所以，對(duì)其選擇與應(yīng)用需要慎重思考，掌握選擇原則，以便適應(yīng)較為復(fù)雜的工況條件，保證齒輪傳動(dòng)的有效性。

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