齿轮失效分析及其预防措施

1、齿轮失效分析及其预防措施 摘要：齿轮是传递运动和动力的零件的重要零件，齿轮种类众多，工作环境不同，因此有不同的失效形式，失效类型由失效齿轮的形貌和失效过程或机理确定的。本文将介绍齿轮的失效类型以及预防措施。 关键词：齿轮，磨损，疲劳，断裂 Gear failure analysis and prevention measures Abstract:Gear parts to transmit motion and power of the vital parts, Many gear types, The work environment is different, so there are different failure modes, failure type is determined by the failure of the morphology of the gear and the failure process or mechanism. This article describes the failure type of gear as well as preven

2、tive measures. Key words: Gear,Wear,Fatigue,Fracture 引言 从近几年出现的机车配件失效状况和失效类型来看, 有的配件在规定的使用期内发生早期失效, 造成损失, 个别配件失效问题长期得不到解决, 引发惯性事故1。齿轮传动是机械传动中很普遍的一种。齿轮传动用于传递任意两轴间的运动和动力。其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105k W，是现代机械中应用最广的一种机械传动。因而，齿轮质量的好坏直接影响了设备的使用范围和使用寿命2。齿轮的失效是造成机器故障的重要因素之一,其运行状况直接影响整个机器或机组的工作3。所以必须对断裂齿轮进行失效分析,对主动齿轮的制造工艺进行改进研究,提高齿轮的综合机械性能和运行寿命4。 1 齿轮失效分析 齿轮的主要失效形式有齿面磨损、轮齿折断、轮齿变形等, 其中前两者最为常见。 1.1 齿面磨损 齿面磨损是指啮合面之间因摩擦导致摩擦面逐渐有微小颗粒分离出来, 形成磨屑, 并且反复进行, 使齿轮表面不断发生尺寸变化和重量损失。齿面磨损严重时, 齿廓损毁, 柴油机的振动和噪声增大, 油温上升等。此外, 齿面磨损后

3、齿厚变薄可能导致轮齿抗弯曲强度不足而断裂。 齿轮的磨损不可避免。对于正常运行的齿轮, 其磨损过程一般包括跑合磨损、稳定磨损和急剧磨损3 个阶段。失效分析工作中的齿轮磨损通常是指异常磨损, 即稳定磨损阶段过短或不存在, 主要呈现为急剧磨损现象。齿轮磨损失效的常见形式有: 粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损, 其中前三者是在滑动条件下产生的,而疲劳磨损则产生于滚动或滚动+滑动条件下5。 1.1.1 粘着磨损 粘着磨损, 是指齿面金属在一定压力下直接接触发生粘着, 同时随着齿面的相对运动, 较软轮齿的表面金属被较硬齿面撕落, 在齿面滑动方向上形成沟纹, 其发生部位在节圆附近的齿顶面上,粘着磨损的摩擦机理如下: 摩擦副实际表面存在微小凸起, 当摩擦副双方接触时, 真实接触面的局部应力足以引起塑性变形。若接触面洁净且未受腐蚀, 则局部塑性变形会使接触面上的原子彼此十分接近, 发生原子间的键合作用, 产生强烈的冷焊现象( 或称粘着) 。后续的滑动剪断粘着点, 并转移到一方齿面或脱落形成磨粒。粘着剪断、转移再粘着循环进行, 构成粘着磨损过程。 此类失效事故在高速重载或低速重载工况下均可能发生,

4、导致粘着磨损的原因主要包括: 润滑不足, 润滑油温过高, 摩擦副表面无氧化膜, 过载等。 通过采用良好的润滑方式、限制润滑油温以及使用抗胶合添加剂的合成润滑油, 可以防止或减轻事故发生; 同时, 适当的跑合可以增大齿面的实际接触面积、使齿面产生加工硬化, 并且在齿面形成牢固的氧化膜, 这些均可提高齿轮的抗粘着磨损能力; 另外, 加强维护和保养, 避免过载, 也是预防失效事故的重要措施8。 1.1.2 磨粒磨损 磨粒磨损是指啮合齿面之间存在硬质粒子而产生的磨损。实际工作过程中, 齿轮与轴承等零件因摩擦磨损产生的微小颗粒、焊接飞溅物、氧化皮、锈蚀物和其它类似的金属和非金属杂物进入齿轮的工作面, 由于齿面间存在相对滑动, 这些外来颗粒起着磨粒作用, 产生磨损。 磨粒磨损主要发生于开式传动齿轮, 闭式传动齿轮由于密封和润滑条件较好, 通常不会发生磨粒磨损, 但同样应该注意润滑油的清洁和更换, 特别是新齿轮跑合后, 若未予清洗, 则跑合过程中产生的金属屑污染润滑油, 也可能造成磨粒磨损6。 1.1.3 腐蚀磨损 齿轮运行时， 在主、从动齿轮接触过程中某一瞬时在齿面上的特定区域分别受到拉应力、压应

5、力、剪切应力等。在一定的循环次数后， 由于疲劳作用而在轮齿表面产生轻微裂纹， 润滑油进入裂纹后产生高压， 促使裂纹长大并连接起来， 使小块金属从表面上掉下来， 形成的小坑即为点蚀。如果表面疲劳裂纹向四周扩展得较远较深， 或者一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来， 造成大块金属脱落的现象即为剥落7。 1.1.4 疲劳磨损 当两齿轮面作滚动或滚动+滑动摩擦时, 在交变接触应力长期作用下, 齿面材料因疲劳损伤导致局部区域产生小片或小块状金属剥落现象, 即为齿面疲劳磨损, 或称接触疲劳, 齿轮疲劳磨损的宏观特征: 节圆线附近的齿面出现许多针孔状或豆状凹坑, 有的凹坑较深, 呈贝壳状, 存在疲劳裂纹发展纹理8。 疲劳磨损的根本原因是齿面最大接触应力大于材料的接触疲劳极限, 随着载荷的多次重复, 轮齿表层产生微裂纹并扩展, 最终扩张至齿面形成剥落块。提高齿轮的抗疲劳磨损性能的手段可分为两种: 1) 改善内部影响因素。 ( 1) 生产上尽量减少齿轮钢材中的非金属夹杂物, 特别是氧化物类和硅酸盐类, 有条件情况下,应采用电渣重熔、真空冶炼等工艺; ( 2) 严格控制齿轮的热处理组织状态, 如马氏体级别

6、、残余奥氏体数量、脱碳层深度、表面硬度和心部硬度、表面有效硬化层深度以及残余应力等。 2) 优化外部环境。 ( 1) 降低齿面的粗糙度, 提高齿轮啮合的接触精度; ( 2) 合理设计齿轮间的硬度匹配; ( 3) 适当使用粘度大的润滑油, 减轻润滑油向齿面微裂纹中的渗入, 从而减缓裂纹的扩展; ( 4) 避免过载等。 1.2 轮齿断裂 1.2.1 疲劳断裂 轮齿类似一悬臂梁, 在载荷的反复作用下, 齿根产生循环变化的弯曲应力。当该处的应力超过其疲劳极限时, 即形成疲劳裂纹并逐步扩展, 最终造成疲劳断裂,在齿轮的生产和使用过程中, 造成齿轮疲劳失效的原因主要有: ( 1) 齿根过渡圆角过小; ( 2)齿根处粗糙度过高; ( 3) 加工轮齿时, 在齿根处形成有害刀痕或拉伤; ( 4) 热处理裂纹; ( 5) 轮齿心部硬度或齿根部硬度过低; ( 6) 安装不当, 齿轮啮合处接触长度不足, 导致齿轮有效承载区域减小等。 若使用过程中齿轮遭受瞬时的严重过载, 则可能造成轮齿突然断裂, 如铸铁齿轮容易发生此类过载断裂事故8。 1.3 塑性变形 在过大的载荷运行时， 较软的齿面上可能产生局部的塑性变形

7、， 从而使齿轮的齿廓和齿向形状发生变化， 齿轮失去正确啮合所需要的齿形。这种损坏常在低速和过载时出现， 在发动机起动频繁的传动中也常见到。软齿面齿轮在传递过大的载荷时，易产生齿面塑性边线变形。在齿轮间过大的磨擦力作用下， 齿面接触应力超过材料抗剪切屈服极限，齿面材料进入塑性状态， 造成齿面塑性流动。使主动齿轮在节线附近形成凹坑， 从动齿轮在节线附近齿面形成棱脊凸起， 使齿轮失去正确的齿形轮廓，从而使齿轮啮合的受力情况急剧恶化， 导致齿面起褶脱落失效的情况出现。齿轮塑性变形的形式有：碾压与冲击变形， 起波纹、脊状延伸等7。 2 齿轮失效原因统计分析 齿轮失效事故统计分析表明, 失效的原因基本归为设计、制造、安装、使用和维护四种类型。对于成熟的柴油机产品而言, 齿轮失效事故大多数系用户使用和维护不当所致, 其次为安装质量问题, 制造和设计问题所占比例较小。因此, 齿轮系统的质量工作重心是进一步规范用户的使用和维护行为8。 3 预防措施 (1)严格控制进厂钢材的质量,对所需钢材的化学成分、低倍组织、淬透性、力学性能等指标提出具体要求,并加大抽检量10。 (2) 提高齿轮强度,选择合适材料并增

8、加“开沟调质”工序;提高表面淬火热处理工艺水平,杜绝热处理内裂;使齿轮淬硬层与基体组织间有过渡区域(防止组织突然过渡) ;防止偏载运转严格控制轴瓦间隙,保证齿面接触精度,减少轧制过程中齿轮轴对轴瓦的冲击;运用现代手段和方法,对关键零部件进行无损探伤检查2。 (3) 比较合理的齿轮工艺过程为:炼钢(炉外精炼) 锻造锻后一次退火探伤、检验粗车探伤开沟调质探伤、机械性能试验、金相检验半精车精车滚齿一次跑合表面淬火、回火探伤二次跑合9。 (4) 材料选用合金钢材料如40Cr、42CrMo等代替45钢，因为合金钢的淬透性和力学性能要比45钢好9。对于模数较大或轴径较粗的工件则改用综合性能好的20CrMnTiH钢10。 参考文献 1 周治中.柴油机配件失效分析及预防措施J.机车车辆工艺,2006,10（5）:1 2 回艳.C616车床变速箱传动齿轮失效分析J.金属加工,2010,10（36）:1 3 周明康.对齿轮失效的因果分析J.机械制造与研究,2008,2（95）:2 4 李六如.薄壁主动齿轮失效分析及工艺改进J.精密成形工程,2009,1（2）:1 5 束德林. 金属力学性能J. 机械工业出版社,1987 6 陈秀宁. 机械设计基础J. 浙江大学出版社,1993 7 李承谦.柴油机油泵惰齿轮失效分析J. 柴油机设计与制造,2008,4（4）:1 8 马鸣，李光瑾.柴油机齿轮失效分析J. 柴油机设计与制造,2007,2（15）:3 9 李智博，张贺宗.齿轮的失效分析J. 物理测试，2007,25（4）:3 10 刘桂燕，高泊依，等.20CrMnTi钢渗碳齿轮轴失效分析及预防措施J.

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