機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效原因及其控制措施

張杰

摘要：機(jī)械傳動(dòng)齒輪在運(yùn)行過程中不能很好地工作的原因有很多，如長期運(yùn)行造成齒輪磨損、齒輪膠合問題、齒輪表面塑性變形、齒輪輪齒斷裂或齒輪表面疲勞點(diǎn)蝕等。要有效消除這些問題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)加工工藝，從而提高齒輪質(zhì)量，使齒輪具有較高的抗變形能力。同時(shí)，優(yōu)化潤滑油技術(shù)，確保與齒輪功能一致，使齒輪處于良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動(dòng);齒輪失效;原因及控制;措施

引言

由于條件不同，齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的故障形式也會(huì)不同。一般來說，如果齒輪傳動(dòng)過程中出現(xiàn)故障，就意味著齒輪輪齒失效。齒輪斷齒的形式有很多種，其中齒輪斷齒比較常見，還有一些其他形式，如工作面磨損、點(diǎn)蝕、膠合和塑性變形等。以下為簡要介紹，其他齒輪齒失效形式可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于齒輪的其他零件，如輻條、齒圈和輪轂，不僅需要嚴(yán)格控制齒輪的質(zhì)量，還需要從經(jīng)驗(yàn)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。規(guī)定的尺寸可以滿足強(qiáng)度和剛度，在實(shí)踐中幾乎不會(huì)發(fā)生失效。

1齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

齒輪傳動(dòng)在現(xiàn)代設(shè)備中廣泛應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著巨大的作用。因此，了解齒輪傳動(dòng)的問題和缺陷并分析其原因?qū)τ谠O(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)和找到預(yù)防措施非常重要。齒輪傳動(dòng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①傳動(dòng)比恒定;②傳輸比大;③傳輸功率范圍大，負(fù)載能力強(qiáng);④傳輸效率高，使用壽命長;⑤結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小;⑥維護(hù)方便等。同時(shí)，齒輪傳動(dòng)還存在以下缺陷：①傳動(dòng)過程中存在振動(dòng)、沖擊和噪聲，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷;②防止過載;③齒輪加工制造過程中制造工藝復(fù)雜（特別是某些定制的特殊齒輪），對機(jī)床刀具和加工檢測儀器要求高，成本高。齒輪傳動(dòng)中遇到的問題與齒輪的優(yōu)缺點(diǎn)相關(guān)，需要充分利用齒輪傳動(dòng)中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

2機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的主要問題

2.1機(jī)械傳動(dòng)齒輪的強(qiáng)化處理存在不足

從當(dāng)前機(jī)械傳動(dòng)齒輪的制備和應(yīng)用情況來看，部分齒輪的生產(chǎn)者缺乏對齒輪承載能力的有效研究，未能按照機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用需求進(jìn)行施工壽命的分析判斷，無法充分明確齒輪芯部的強(qiáng)度狀況，難以通過剪切強(qiáng)度的分析更好地滿足齒輪處理技術(shù)的應(yīng)用需要。部分機(jī)械傳動(dòng)齒輪在處理失效問題控制措施的過程中，對于深層淬火問題的關(guān)注程度較低，缺乏對齒輪強(qiáng)化處理技術(shù)不同應(yīng)用成效的有效分析，導(dǎo)致硬化層深度的控制技術(shù)無法得到有效改良，難以為齒輪裝置參與拉應(yīng)力的控制提供必要支持。部分齒輪裝置強(qiáng)化處理技術(shù)的應(yīng)用缺乏對拉應(yīng)力過渡區(qū)設(shè)置有效性的關(guān)注，尤其對于齒輪裝置表面的碳含量情況分析考察不夠充分，無法在碳含量的范圍特征得到充分明確的情況下，更好地滿足齒輪強(qiáng)度控制的具體需要。一些機(jī)械傳動(dòng)齒輪的強(qiáng)化處理技術(shù)缺乏對強(qiáng)度跨度特征的有效掌握，尤其對于共滲工藝的應(yīng)用有效性分析不夠全面，無法在氮元素的滲入量得到合理控制的情況下，憑借更加科學(xué)的手段實(shí)現(xiàn)齒輪強(qiáng)度的優(yōu)化處理。

2.2傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

日常接觸最多的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是用齒輪箱傳動(dòng)，在重工機(jī)械中，很多時(shí)候用的齒輪尺寸很大，市場上也沒有相應(yīng)的齒輪箱。設(shè)計(jì)時(shí)完全依據(jù)設(shè)計(jì)師的工作經(jīng)驗(yàn)和想法。設(shè)計(jì)時(shí)兩個(gè)齒輪軸的沒有固定在一個(gè)箱體上，這樣在傳動(dòng)時(shí)齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊會(huì)放大，增加傳動(dòng)的不穩(wěn)定性。這個(gè)問題在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到了體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免兩個(gè)齒輪軸的固定座不穩(wěn)定的情況。

3齒輪失效優(yōu)化對策

3.1改進(jìn)加工工藝

齒輪件加工期間需要使用滲碳猝火技術(shù)，但使用此技術(shù)會(huì)改變高性能合金鋼內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，將晶格形狀由面心立方形，改變?yōu)轶w心立方形，增大了體積與齒輪表面的拉應(yīng)力。齒輪表面受到拉應(yīng)力與外荷載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裂紋，在磨削加工與滲碳猝火處理后，改變內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，齒輪件材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力。在交變應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力的雙重作用下，齒輪表面出現(xiàn)裂紋，長時(shí)間后殘余應(yīng)力逐漸釋放，裂紋逐步擴(kuò)散，嚴(yán)重影響了齒輪件的穩(wěn)定性。噴丸技術(shù)需要使用數(shù)量極多且粒徑較小的鋼丸，通過噴丸設(shè)備直接噴射至材料表面，產(chǎn)生沖擊荷載，在材料表面形成塑性變形，保證熱處理材料后可以充分釋放內(nèi)部殘余應(yīng)力，使得表面可以形成微小凹坑，轉(zhuǎn)變材料表面的拉應(yīng)力，改變?yōu)閴簯?yīng)力。同時(shí)，在齒根部采用噴丸技術(shù)，還可以保證熱處理期間氧化物比例的合理性，提高齒面接觸強(qiáng)度與齒輪彎曲強(qiáng)度。因此，應(yīng)將噴丸技術(shù)合理應(yīng)用至刮板運(yùn)輸機(jī)減速器圓柱齒輪中與圓錐齒輪中，包括下料、鍛造、正火、機(jī)加工、滲碳猝火、低溫回火、齒根噴丸強(qiáng)化以及磨削加工等各個(gè)流程。工藝使用期間應(yīng)合理控制溫度，保證加工工藝的冷熱交換，提高齒輪的承載能力。

3.2建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型分析

隨著飛行汽車概念和技術(shù)的發(fā)展，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)成為限制其服役性能和可靠性的重要瓶頸之一。為此，建立了考慮強(qiáng)度退化與失效相關(guān)的飛行汽車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性分析模型。計(jì)算了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在飛行載荷譜作用下齒輪的接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，并通過Goodman準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換對稱循環(huán)應(yīng)力，作為可靠性模型的應(yīng)力輸入變量;基于非線性疲勞累積損傷理論，建立了齒輪強(qiáng)度退化模型，作為可靠性模型的強(qiáng)度輸入變量。得到以下結(jié)論：（1）該飛行汽車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)服役過程中，系統(tǒng)中各齒輪可靠度從大到小依次排序?yàn)椋糊X圈R、錐齒輪B2、錐齒輪B4、錐齒輪B1、錐齒輪B3、太陽輪S、行星輪P、惰輪I。由于輸入行星齒輪級(jí)行星輪P與惰輪I所承受接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力較大，且其轉(zhuǎn)速相比其他齒輪較快，導(dǎo)致其可靠度下降最快，不符合等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，是結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。（2）在該飛行汽車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)內(nèi)部齒輪失效相關(guān)性沿著功率傳遞方向逐漸增強(qiáng)。由于飛行汽車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件失效的耦合作用，對系統(tǒng)可靠性具有明顯的削弱作用?？紤]失效相關(guān)的3000h服役壽命后系統(tǒng)可靠度為84.01%，與不考慮失效相關(guān)的情況相比，可靠度降低了5.42%。

3.3提高齒輪材料選擇的合理性

從加工工藝指標(biāo)分析的角度出發(fā)，對當(dāng)前的齒輪材料選擇水平進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合齒輪裝置的強(qiáng)度需要，制定材料選擇相關(guān)工作的科學(xué)化方案。對低碳合金鋼所具備的突出應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行總結(jié)，從齒輪裝置的承載力和沖擊力應(yīng)對角度出發(fā)，制定齒輪材料的選擇方案，使材料選擇的基礎(chǔ)條件可以得到充分改進(jìn)。加強(qiáng)對鋼材之中鎳元素構(gòu)成情況的分析，尤其要對載荷波動(dòng)等主體信息進(jìn)行作用考察，結(jié)合齒輪裝置模數(shù)特點(diǎn)制定材料選擇創(chuàng)新方案，為鋼材的科學(xué)化選取提供必要支持。加強(qiáng)對鋼材淬透性的重視，并結(jié)合鋼材的耐磨需求，進(jìn)行齒輪制備鋼材性能分析，并借此保證鋼材的芯部具備足夠的硬度。齒輪材質(zhì)的選擇還必須將抗變形效果作為主要因素進(jìn)行研究，使特殊鋼材在齒輪制備方面的突出價(jià)值可以得到有效認(rèn)定，為齒輪性能各方面影響因素的精準(zhǔn)識(shí)別提供幫助，從而實(shí)現(xiàn)對齒輪選材方案的創(chuàng)新，為齒輪性能的改進(jìn)提供有利保障。

結(jié)束語

本文分析研究了齒輪在齒輪傳動(dòng)實(shí)際應(yīng)用中的失效條件，并給出了齒輪傳動(dòng)失效和失效的減少方法。分析齒輪傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，控制現(xiàn)場設(shè)計(jì)、加工檢驗(yàn)和各種使用環(huán)境等因素，減少齒輪傳動(dòng)缺陷的影響，改進(jìn)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，希望有一定的。

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