机械工程中齿轮失效形式及预防

姜鹏浩?黄文祥

摘 要：本文主要根据齿轮失效的几种形式进行研究，通过对其失效的形式及原因进行分析，提出了解决齿轮失效的几种预防措施，使设备故障判别的准确率得到提高，并将故障及时的解决，进而促进企业经济效益的提高。

关键词：机械传动;齿轮失效;诊断检修

随着机械传动齿轮在机械制造业中的使用越来越广泛，它的检修技术与诊断技术将会不断进行推广，更多的人将会掌握这一技术。运用科学的方法，不断引进国际先进仪器与技术，更加熟悉齿轮的运行规律，才能更好地判断齿轮的故障问题与解决办法，更好地为国民经济的发展贡献齿轮传动最大的能力。齿轮传动的失效是机械设备失效的形式之一，是指在运行中失去设计功能或者发生损伤失效。通过对大量事故进行分析，人们认识到失效分析工作的重要性。在许多现代的先进企业中，失效分析已成为一项重要的工作。

1.机械传动齿轮失效的检修

检修失效的机械传动齿轮主要有几种情况：首先是齿轮有裂纹出现或是齿面断裂时，就需要报废了;二是当齿轮轮齿的表面点蚀损坏占整个轮齿表面的三成以上，深度达到10%以上，或者点蚀面积超过60%，就需要报废处理;三是对于齿轮的磨损，它对于不同的应用机构有着不同的要求。对于一般的提升机构而言，安全系数较高，磨损齿厚不应该低于原厚度的80%;对于一般性的运行机构而言，齿轮的磨损不应该低于60%，如果超出此范围，则需要更换齿轮结构了。第四，为避免胶合现象出现，应该采用高粘度的润滑油，因为胶合会发生在低速但载荷力较大的场合，这个时候除了加润滑油外，还需要提高齿轮面的硬度、减少齿面的表面粗糙度。加入润滑油，对于点蚀失效、磨损失效都有较佳效果。针对不同的失效模式的齿轮有着不同的检修方法。对于高速运转使用的齿轮出现磨损情况时，一般润滑油过少或者间隙过小，它的排除方法就是减少负荷，增加润滑油;针对齿顶变尖的现象，可以增加齿轮的齿心距，或改用变位齿轮;针对齿形出现波纹磨损时，需要增加润滑油。

2.机械工程中齿轮失效形式

2.1齿轮折断

在机械工程中，齿轮折断有着很大的危险性，这类现象的发生直接导致齿轮最终失效。按照其引发机制可分为疲劳折断、过载折断以及随机折断。齿轮在循环载荷的作用影响下，齿根处将会集中较大的弯曲应力，长此以往，如果集中的应力超出了齿轮的疲劳极限，那么就容易在齿根圆角部位出现疲劳裂纹。随着齿轮循环次数和工作时间的的增加，经过长期的重复工作，疲劳裂纹将会不断加深扩展，终将出现疲劳断裂。有较多的因素可以预防齿轮形成疲劳断裂，如齿轮设计时未能充分的估计实际荷载、齿根过渡圆角小、加工精度低、齿轮材料不当等等。

2.2齿面胶合

齿轮在机械运动过程中，往往是进行高速重载传动，齿轮在发生传动时，机械摩擦力做功会使齿合区的温度上升，这就在一定程度上破坏了润滑油膜，进而导致两个齿面金属直接接触，且相互粘连，进而在齿面进行相对滑动，相对较软的齿面金属则会随着齿轮的滑行方向被撕下，并产生沟纹，齿轮发生的这种现象则称为胶合。结合齿面胶合的不同原因和特征，可将其分为破坏性胶合、轻微胶合、局部胶合及中等胶合等。齿轮若发生齿面胶合后，将会引发强烈的发热现象和磨损、出现不平稳的传动，甚至是导致齿轮报废。

2.3齿面点蚀

在工作过程中，齿轮齿合表面上的每一个点产生的接触应力都是根据其工作状态进行变化的。如果齿面的接触应力大于材料的接触应力的极限值时，那么将会有一些细微的疲劳裂纹在齿面表层形成，随着裂纹的扩展，逐渐剥落齿轮表层的金属微粒，进而出现一些细小的坑洼，又被俗称为点蚀麻坑。齿面在出现点蚀后，其承载面积将会减少，引发噪音或冲击，甚至会折断齿轮。倘若齿轮的点蚀面积大于齿宽、齿高的60%，则要对零件进行更新。

2.4齿面磨损

齿面磨损通常有两种形式：一种是齿面进入了砂粒、铁屑等硬质屑粒，进而形成磨粒磨损现象，另一种是齿轮表面的相互摩擦而形成研磨磨损。当齿轮表面出现过渡磨损后，会大量的磨损工作表面材料，破坏齿轮形状，极易引发严重的振动和噪音，进而导致齿轮传动失效。所以，在关键的重要齿轮中，齿面磨损要小于原齿厚度的10%，而对于一般齿轮的齿面磨损，则是根据设备的用途小于20%-30%，应及时更换超过标准的齿轮。

3.预防机械工程齿轮失效措施

3.1提高齿轮安装精度

齿轮材料的选择，要根据强度、韧性和工艺性能要求，综合考虑。结合我国实际，宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载荷的齿轮，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材;对于负载比较稳定或功率较小，模数较小的齿轮，亦可选用无Ni的Ni-Mn钢。用这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相比，其接触和弯曲疲劳寿命可提高3-5倍，齿轮极限载荷可提高15%-20%。

3.2齿轮的热处理及表面硬化

合理的热处理及表面硬化处理，可以大幅度提升齿轮性能，防止失效。先对齿轮进行渗碳、渗氮等热处理，在对齿面、齿根等关键部位喷丸强化，即提升了表层向芯部过渡的区域抗剪强度又提高了齿轮表面接触疲劳强度（30%～50%）。此外正确的安装运行，选用合理的润滑油等措施都可以起到防止及减缓齿轮失效的作用。根据相关资料显示，齿轮失效事故中，由于不当的润滑而引发的机械事故占20%，润滑不足而引发的机械事故占有的比例为35%。可以看出过半的机械事故是因为润滑问题引发的。可见，齿轮在使用过程中选用较好的润滑油的意义非常重要

4.结束语

据资料显示，机械故障的34.4%源于润滑不足，19.6%源于润滑不当，换句话说，以54%的机械故障是由于润滑问题所致。因此，选择好的齿轮油对提高齿轮使用寿命有重要的意义。为了确保齿轮的强度和硬度，决定采用氩弧焊合金焊丝堆焊修复，后用磨光机整形处理方案，这样焊后的齿轮轮齿少不经热处理达到较高的硬度和强度。通过对齿轮失效形式的分析，可提高准确判别设备故障的能力，及时解除故障，提高经济效益。

参考文献：

[1]陈宝红.齿轮的失效原因及修复方法[J].机械工程.2012

[2]刘鹏德.齿轮的失效及预防研究[J].科技纵横.2014