常見齒輪故障的分析和解決措施

0 引言

齒輪設計和運轉的復雜性幾乎超過任何其他常見的機械零件，受疲勞載荷的齒類似于彎曲的懸臂梁，接觸面的循環載荷類似于滾動軸承的變化負載，潤滑對于同時涉及表面滑動和滾動都有很高的要求，復雜性是使人難以置信的，使得齒輪的故障分析更加困難。

1 工廠常見齒輪類型

齒輪運行時齒的接觸包含滾動和滑動兩個部分，我們看到的齒輪大部分都是漸開線輪廓，當兩齒相嚙合時在齒輪節圓上是純滾動，而進入和離開節圓則出現滑動。漸開線是將一個圓軸固定在一個平面上，軸上纏線，拉緊一個線頭，讓該線繞圓軸運動且始終與圓軸相切，那么線上任何一個定點在該平面上的軌跡就是漸開線，這為我們提供了典型的輪齒形，還有其他形狀的齒廓在使用，但沒有漸開線齒形在一般工業中使用那樣普遍。

(1)直齒輪（正齒輪）：這是一種最常看到的齒輪，每次直齒輪兩齒相嚙合時，動力脈沖向外傳遞一次，功率脈沖是離散的，嚙合時噪聲較大，但加工成本相對低。

(2)斜齒輪：相對于直齒輪較為安靜和平滑，脈沖振蕩也有所減少，但是由于是斜齒，所以它的效率有所降低，另外還存在著軸向負載，帶來了附加需要解決的問題。

(3)人字形齒輪：為了消除斜齒輪的軸向負載，出現了人字齒輪，齒廓形狀左右對稱分布，以消除軸向負載，運行時自動對中、重合度高、傳遞平穩。

(4)雙螺旋齒輪：人字形齒輪優化出現了雙螺旋齒輪，雙螺旋齒輪性能優良，高速、重負荷、結構緊湊，但加工成本相對要高。

除少部分的斜齒輪傳動是交叉軸線傳動，其他三種齒輪的軸線是平行傳動，下面的兩種齒輪傳動軸線是交叉的。

(5)傘齒輪：典型的直角傳動，類似于直齒輪，兩齒相嚙合時，動力脈沖向外傳遞一次，嚙合噪聲高。

(6)螺旋傘齒輪：類似于斜齒輪，傳動較為安靜平滑，脈沖振蕩也有減少，但是由于是斜齒，所以它的效率有所降低，存在著軸向力。

另外還有準雙曲面齒輪、蝸輪等，蝸輪是螺旋傘齒輪的變種，中心線不相交，蝸輪嚙合時含有純滑動，有別于其他齒輪的設計。

2 輪齒的嚙合

齒的嚙合分三個級段:第一級段從動齒的齒頂沿主動輪齒向下滑動，與其同時接觸點向上滾動，這種復合運動在接觸點產生一個低的相對速度，并因經常沒有足夠的相對速度，而不能形成適當的潤滑膜，齒面接觸過程中，當接觸點到達節圓線時，齒的嚙合變成向上方的純滾動，由于相對速度的增加，產生一層較厚的潤滑膜，隨著嚙合的繼續進行，滾動和滑動運動發生在相同的方向上，并產生大量的潤滑膜（見圖1）。

圖1 輪齒的嚙合

此外當接觸點沿驅動齒面向下滑動，張力區域易受到疲勞破壞，然而同時，嚙合接觸區域是壓縮的狀態，不會發生疲勞損傷。相反，在循環周期的后期接觸階段，角色顛倒，從動齒輪的齒根遭受到疲勞損傷。這種復合運動和疲勞應力，即正和負的滑動應力，解釋了為什么會發生損壞，如點蝕和表面的磨損是最經常發生在齒的下半部，輪齒嚙合不僅受到循環觸壓疲勞模式的損傷，還承受著懸臂彎曲載荷的作用。

3 載荷和應力波動

理論上講由驅動齒輪傳輸的功率應在一定程度上是一個常數，齒上都加載相同的負荷。但是，在實際齒輪運轉過程中，每一個旋轉周期，動力都發生波動，這些波動來源聯軸器不對中、偏移，齒輪不對中、偏差，輸入功率的變化，大、小齒輪的偏心，齒輪加工制造誤差，扭轉振動和系統共振等。在這些原因的共同作用下，齒上的負載是曲線，而不是一個理想的平坦直線，實際上齒的峰值負載幾乎接近平均負荷的兩倍(如圖2a所示)，這些變化是很重要的，峰值負載導致破裂和循環觸壓疲勞損壞。特別值得關注的是在工廠里常看到這種情況，一些損壞(如磨損或磨光)發生在齒輪“非接觸式”一側，這可能是安裝未對中、偏移的結果，實際上它也表明齒側已經存在反向負荷，齒上有巨大的應力（如圖2b所示），反向負荷使峰值應力超過兩倍的平均應力，嚴重損害齒輪和整個齒輪組。

圖2 應力的波動

4 齒輪材料和硬度

大多數齒輪是金屬制造的，但聚合物已經取得了實質性的進展，金屬齒輪大部分是鋼，最大工業用青銅齒輪的應用是蝸桿蝸輪副，淬硬的鋼蝸桿配對青銅蝸輪得到廣泛應用。一般齒輪的齒分兩種:

(1)整體硬化齒：整個輪齒經過硬化處理、熱處理，齒輪的整個齒的硬度幾乎是一致的，鋼不能全部硬化，整體硬化齒都比較軟，所有硬度幾乎都小于40HRC。

(2)表層硬化齒：有一個非常硬且耐磨的外表層，具有更柔軟的核心，表面硬度常在50HRC以上，這種設計是使齒輪經過多年的運行，表層基本上無磨損。表層硬化齒輪體積小而輕，使用壽命長，且價格低，多數工業中的表層硬化齒輪常用在封閉式減速器中。表層硬化齒輪在相同的尺寸情況下提供更多的動力，能在幾乎所有的移動式設備上使用，要求更高的制造精度，抗表面損傷和抗沖擊載荷的容忍度差。整體硬化齒輪常用于大型開放式齒輪組和減速機中，用在精度要求不高的場合，允許更寬容的震動和沖擊載荷，在出現故障前能夠耐受大量的磨損。較整體硬化齒輪而言，表層硬化齒輪能較好地保持其齒形原有的幾何形狀，在通常情況下齒輪副運行更安靜和更有效。

5 齒面接觸模式

良好的齒面接觸非常重要，接觸模式變差時，齒面上應力會發生很大的變化，齒面接觸模式可分為三種情況，圖3中X軸上的第一段顯示是假設兩齒面均勻地接觸，應力是均勻分布在整個有效齒面上，圖3的第二段兩齒接觸的方式在齒端部減弱，為了和第一段所示的有相同驅動力，在左側的最大接觸應力是平均應力的兩倍，第三段中接觸在齒面中部結束，由此峰值應該至少四倍于理想齒面接觸的應力。

在分析輪齒接觸模式中，有兩點應該進一步注意。首先，由于彈性變形的存在，通常接觸應力看起來更嚴重，有時區別是哪一種接觸模式存在難度，要根據實際情況判斷出是哪一種接觸模式尤其重要。第二，因為軸上的作用力，重型減速機的外殼經常發生變形、撓曲、變位，停機期間檢查齒面接觸模式時可能會產生誤導，因為停機時變形的力是不存在，重型減速機的齒面檢查，應該非常小心地檢查齒面，以確定實際運行的齒面接觸模式。

圖3 嚙合模式的影響

6 齒側間隙

“有效嚙合齒之間的間隙”，測量一組齒輪之間的齒隙相當簡單，一個齒輪被鎖定在適當位置，以使它不能移動，另一方的齒輪來回轉動，用千分表或塞尺等測量工具，測量兩個嚙合齒之間的間隙。表層硬化齒輪的整個生命周期內，齒隙變化不大，因為通常磨損量很少。

如果齒輪總是在一個方向上驅動，但整體硬化齒輪間隙是不斷增加的，這個增加一般不是很重要，因為負載是連續的，這個增加是對齒磨損的度量。對換向齒輪或回動裝置的齒輪組來說，磨損和增加的側隙可以成為沖擊載荷的來源，是必須要校核的。

7 齒輪惡化機理

齒輪故障可以歸類為磨損、表面疲勞損壞、塑性流動和變形、破損和相關聯的齒輪故障。

(1)磨損涵蓋范圍很大，可能是持續多年的輕微齒輪磨光或拋光，也可能是磨料磨損或膠粘磨損，它能使齒輪在幾分鐘內基本上無用。對于整體硬化齒輪，大多數磨損是可預測的，可以被監控，對于表層硬化齒輪，任何大量的拋光、磨光通常是故障的前兆。

(2)表面疲勞包括點蝕和表皮剝落，從實用角度來看，表層硬化齒輪的表面惡化是令人不安和煩惱的。

(3)塑性變形對于表層硬化齒輪包括波紋、振紋和齒輪表面相對較輕微的變形，整體硬化齒輪面經常遭受軋制和錘擊，留下嚴重的表面受損。

(4)斷裂，表層硬化齒輪有時發生齒面破碎，是由于接觸載荷是如此之大以至于齒面底層結構物理變形，硬化層破裂、斷裂。

8 整體硬化齒輪劣化機理

8.1 點狀腐蝕和磨損

齒輪惡化可以是非常混淆和復雜的，整體硬化齒輪常常不是很硬，不很精確，而且往往點蝕和磨損是相對可預見的方式。對于表層硬化齒輪，任何引起關注的表面缺陷和點蝕，通常預示著一個即將發生的災難。整體硬化齒輪和表面滲透硬化齒輪區別很大，有時對整體硬化齒輪磨損的工作表現會產生許多誤解，導致更多不必要的齒輪更換而引起浪費和生產成本增加。整體硬化齒輪劣化包括點蝕、粘著磨損、滾扎、錘擊等，但大多數磨損始于點蝕、組合負載、材料缺陷、潤滑膜破裂等，這些通常是不可避免的。

8.2 修正性點蝕

兩齒輪嚙合在一起，齒頂的高點互相摩擦，赫茲循環觸壓疲勞導致小的剝落，隨著時間的流逝，越來越多的齒表面相互接觸，磨損模式變得越來越大，這些坑點相對較小，一般不超過直徑1.5 mm，它們支持維護著潤滑膜，修正性點蝕開始很迅速，但隨著接觸面積增加，磨損率會降低，最終達到一個低而連續的水平，這與磨損和耗損有著實質上的區別。

8.3 正常齒根磨損

發生在齒根處，齒受到一個長期的拉伸疲勞應力，它通常顯示在齒根部，惡化速度非常緩慢，容易監控。

8.4 破壞性點蝕

點坑大、不規則，不支持和維護潤滑膜，它們開始于齒根，但是迅速進入齒頂，引起齒的磨損和運行噪聲。在齒輪運行的開始階段，評估整體硬化齒的磨損比較困難，當齒面開始發生點蝕時，最初很難區分出是修正性，還是破壞性磨損。圖4所示是一個典型的點蝕過程，在點蝕前期一段時間兩線基本重合，難以區分是修正性點蝕或是破壞性磨損，接近中期時曲線開始分離，后期發生本質變化。有時監測磨損也很困難，需要一些專用儀器和設備的幫助，進行不間斷的監控、測量。齒的腐蝕將加速點蝕進成，減少齒輪的使用壽命，尤其是硬度相對低的整體硬化齒輪 (硬度小于180HBN)，長期的大量研究表明，大氣腐蝕引起低硬度（40HRC）的高應力材料斷裂，經驗表明齒輪存儲總是應該免受腐蝕。另外，對表層硬化齒輪而言，可見的銹斑會減少疲勞壽命，嚴重的生銹可能已導致表層的微裂縫。

圖4 點蝕過程

9 塑性變形

常見整體硬化齒輪的退化機理，滾扎和敲擊都涉及到齒的塑性變形，在這兩種情況下足夠大的負載導致齒的實際變形，滾扎包括接觸壓力大到足以在齒頂部或齒側的金屬發生移動，出現劇烈的脊狀齒頂，或在側齒出現蘑菇狀或輻射環狀。敲擊是嚙合的齒相互錘擊，產生齒廓變形，在這兩種情況下，是潤滑不夠充分，或是負載已經過度，如果再持續運行，齒輪將逐步帶來噪聲和更加不平穩。

10 粘著磨損

常用來形容粘著磨損，如：劃痕，膠合，擦傷，摩擦燒傷等是最經常聽到的，粘著磨損涉及到損壞的潤滑膜和瞬時焊接的齒，其次是崩裂一部分的齒。最常看到的是發生在齒頂和齒根，因為這些地方是最難形成一層有效的潤滑膜，圖5a表示齒的磨損和徑向擦傷，接觸的齒潤滑不良清晰可見，當接觸表面接近節圓線時磨損降低，在節線上是純滾動，上面有一層有效的潤滑膜以降低磨損率，如果接觸應力一直較小，那么齒面出現磨光、拋光、劃痕、擦傷將不會發生，金屬的去除率會大幅下降，這是滾動和滑動混合作用的效果。

圖5 粘著磨損

11 表層硬化齒輪的退化機理

11.1 微型點蝕

發生在表面負載很高，并且出現輕微形似噴砂的齒形表面，有時被稱為“結霜、無光澤面”，在某些情況下微點蝕沒有問題，但在另一些地方則是危險的警告信號。在整個齒面上顯現對角線模式、清晰可見的微型點狀，或是一系列非常細小的坑所組成的微點蝕，基本上能反應出以下幾種狀況：

(1)機加工表面發生輕微的不規則形狀，或輕微誤差。

(2)沒什么可擔心的無害微點蝕。

(3)表明齒輪載荷很重。

(4)表明安裝的對中性很好，沒有偏差。

圖6a表示一個32 mm寬的離心式空氣壓縮機驅動齒輪，齒的左邊有微點蝕，圖6b是電機驅動齒輪，微點蝕顯示在齒的右邊。在這兩個例子中，顯示點蝕是相對明顯集中在齒的一邊，這表明是嚴重安裝對中的問題，安裝精度沒有得到要求，有偏差，在圖6b中，有一個坑在最低的齒上，那個不是點蝕。表層硬化齒輪的設計要求之一是必須很好地安裝對中、對齊，安裝精度要高，齒的彈性變形糾正很小偏差，齒的一側發生微點蝕是一個警告信號，上面兩種情況下都有非常高的局部負載和過度的錯位和安裝誤差。

圖6 輪齒的點蝕

11.2 振紋

表層硬化齒輪的表面振紋（紋波）和微點蝕歸納在相同的基本范疇，它表明齒輪負荷很重，表面有少許的塑性變形。(1)如果振紋均勻貫穿出現在整個齒上，這沒有什么可擔心的。(2)如果振紋是出現在齒的一側，則是一個信號，表明齒輪應該需要嚴密監視和關注，這是一個不言而喻的跡象，即有安裝偏差，警示在未來可能發生損壞，同時要求定期檢查以確保紋波沒有進一步惡化。

11.3 點蝕

表層硬化齒輪的點蝕涉及齒的抗拉強度，當表層硬度值達到55HRC，其抗張強度大約是1.9 GPa，如果核心硬度是35HRC，其抗拉強度是不到2/3的表層硬度，表面損壞的發生是因為赫茲疲勞、滑移，而齒斷裂則是懸臂彎曲載荷作用的結果。然而，可能我們看到99%低負載或高頻循環疲勞的表層硬化齒輪故障，都帶有點蝕的問題，在分析表層硬化齒輪的點蝕時，需要仔細察看點坑的形狀，橢圓形的坑，它們的長軸沿齒長度方向，具有相對較深、鋒利的底部，表示存在嚴重的應力集中問題。另一方面，淺的、圓形和帶有圓形底部的坑，這種幾乎不會有什么問題。檢查點蝕有時需要借助于放大鏡、電燈等工具，細長、連接在一起且點坑帶有微弱的波紋跡象，是一個令人擔憂的問題，如果齒上發生這樣情況，建議不要用在重要、關鍵的驅動位置上。

11.4 剝離

齒牙大片的金屬剝離則表示齒輪的材料和制造存在問題。如圖5b所示是大塊剝落，覆蓋約一半的有效齒面，事實上，在齒輪核心和表層有這么大面積的剝落，往往表示齒輪熱處理存在著問題。

11.5 齒面塌陷

表層硬化齒輪的表層塌陷原因，是齒上的負載如此之大，致使較韌的核心發生塑性變形，但較硬的表層延展性差，沒有韌性而破裂，并且其特征在于出現水平裂縫。

12 齒輪故障分析方法

進行齒輪故障分析的目的是要了解為什么會發生，在什么情況下發生，以便找出相應的解決措施，找出發生故障的原因至關重要，往往找出了原因也就找到了解決問題的措施。齒輪故障分析是非常復雜的，它有不容易分開的一系列機理所組成，如圖7故障分析樹所示，首先要進行故障類型的分類，然后查看各種特征，也就是說這張圖的最后兩層，影響齒輪的壽命和使用的特征因素是：

(1)負載、赫茲疲勞應力、過度的懸臂負荷。

(2)負載的分配，齒或齒周圍負載的均勻度。

(3)溫度和潤滑膜厚度，齒輪的工作溫度，潤滑油規格。

(4)齒的幾何形狀和表面處理，實際的齒形、齒廓，加工制造狀況，齒輪存儲生銹等狀況。

圖7 齒輪故障分析

齒輪瞬時猝發性故障和非常低循環疲勞失效放在一組，即使齒輪強度很高，時常有外部事件發生而導致齒輪迅速失效，這些故障通常和其他同類材料脆性過載，有著相似的斷裂外表。圖7右側所示那些故障不是在短期內發生的，表層硬化齒輪與整體硬化齒輪有所不同，但差異并不是實質性的。

12.1 彎曲疲勞

彎曲疲勞裂紋表示齒輪在懸臂強度超載的情況下已運行了一段時間，用戶應分析問題原因并找出解決措施。

12.1.1表層硬化及整體硬化齒輪

(1)齒輪是不是在回轉裝置內運行，如果是，確定回轉時沖擊負載的類型，齒上有沒有磨損，確認磨損量大小。

(2)疲勞裂紋是從哪里開始的，若是在齒的中心位置則顯示出良好的對中。

(3)許多齒上有疲勞裂紋，表明受到非常高的過載，如只有一、兩個齒有疲勞裂紋，表示負載僅稍稍超出疲勞強度。這個問題需要考慮時間因素，因為第一個疲勞裂紋開始出現，齒輪被強制運行一段時間后，可能引起許多疲勞裂紋出現在齒輪上。

(4)怎樣的齒接觸模式，在運行中接觸模式是否發生變化，在無負載側的齒有沒有發生接觸，齒上是否有明顯的磨損。對于表層硬化齒來說，可能難以看到磨損的變化，有必要緩慢旋轉齒輪，需有明亮的光線照在齒上以便觀察。對于整體硬化齒，一些輪齒的磨損量是可以預測的，但是長期使用需要確定臨界磨損厚度和磨損量，輪齒磨損是否均勻，如果不是，它表示齒輪錯位、不對中或加工有偏差。

(5)齒輪的材料是否符合規范，實際輪齒的硬度是不是達到要求。

12.1.2 表層硬化齒

(1)微點蝕是否存在，如果微點蝕是傾斜分布的，表明偏心負載或者是安裝錯位。

(2)有沒有塑性變形，即沿齒頂部是否有薄的脊線。(3)如果裂紋起源于凹坑，則存在非常高的負荷。(4)規定的潤滑劑類型，齒輪最初設計運行負載的類型，負載隨時間如何變化，確認負荷變化得到了充分的驗證。

(5)齒輪任何時候生銹和腐蝕都大大降低疲勞強度。

12.2 表面疲勞

在表面負荷過大和潤滑膜不充分時，赫茲循環疲勞剝落、點蝕和微點蝕隨時可能會發生。

(1)剝落或微點蝕在什么地方開始，它是出現在齒的中心，則表示良好的對中，或朝向遠處的邊緣，則可能是發生偏移。

(2)查看在嚙合狀態的輪齒、齒廓形狀和運行條件。

(3)正確的潤滑油膜可以防止任何形式的點蝕，潤滑劑的應用情況、工作溫度，耐超高壓潤滑油使用狀況，潤滑時間的間隔是否合適。

(4)表面疲勞模式均勻性和一致性怎樣，如果是不一致的，說明輪齒加工存在誤差。對于整體硬化齒，齒周圍的磨損是否均勻，如果不是，表示齒輪沒有很好的對中或沒有正確加工。對于表層硬化齒輪，一些輕微、均勻的微點蝕沒有問題。但是，如果是偏斜的、漂移的，則表示存在潛在的危險。一側上的齒偏心微坑，表示是異常高的表面應力和齒輪對中、校準的問題。整體硬化齒輪點蝕的存在是異常高表面應力作用的結果，需要加以關注。

(5)孤立的大塊金屬剝落或剝離，例如剝落直徑大于6 mm，通常意味著齒輪的材料或制造存在問題，齒輪的生銹和腐蝕，都會降低抗表面疲勞強度。

12.3 長期超負荷

這主要發生在整體硬化齒輪上，通常會導致緩慢的和可預見的磨損、重負載和潤滑不良的結果。

(1)齒過度磨損、剝落、斷裂。

(2)齒輪損壞是否均勻。

(3)在整個齒上負荷是否均勻。

(4)是否有微點蝕或點蝕，點蝕發生在齒根，還是齒頂，還是兩者均有，點坑的面積大小。

13 故障實例及解決措施

13.1 輪齒剝離

圖8是三級減速器內的表面硬化螺旋小齒輪，運行約1年。

(1)表層硬化輪齒上有一塊大面積的剝落。

(2)潤滑劑是廠商所指定的型號。

(3)測試表明除了圖中看到的還有另外兩塊金屬剝落，沒有其他損壞，也沒有可測量的對中錯位。用戶無法避免這種類型的輪齒剝落，通常是材質的問題，材料存在缺陷、齒輪加工、制造的問題，更換齒輪，建議進行金相分析，以進一步確定其物理原因。

13.2 輪齒斷裂

圖8a是一個低速大齒輪上掉下的一個齒，齒輪轉速是5 r/min，運行6個月。

(1)齒有比較厚的表面滲透層，回火至硬度約52HRC。

(2)齒因疲勞而損壞，組織具有細晶粒結構，故障是迅速發生的。

(3)該負荷是偏心的，裂紋是從齒右邊開始，齒的左半邊是瞬時斷裂區域。接觸齒表面發現一些點蝕也集中在遠離齒中心的右側。這是個典型的齒輪未對齊、未對中的問題，表層淬硬齒輪中心不對稱的敏感性很強，修正錯位，重新安裝齒輪，調整中心和水平，定期檢查。

圖8 輪齒斷裂

13.3 大型泵驅動齒輪

圖8b所示是負載約4 500 kW，其輸出速度為410 r/min泵的齒輪，與之嚙合的是泵驅動軸上兩個約2 300 kW，1 810 r/min電機驅動小齒輪。這是個表層硬化齒，容易看到其特有的輪廓，運行一年多時間，噪聲很大。斷裂面顯示齒輪向左側驅動，但斷面標志表示，裂紋擴展是從左至右，相對著驅動力，檢查齒表面，表明已經有多次接觸到齒的無負載一邊。齒輪的齒上有一個扭轉共振，通過振動分析確認，當齒輪運行在固有頻率附近時，輪齒被敲擊，反轉的力量使齒表面產生張力造成的裂縫，然后傳播到硬度弱得多的核心部分。圖2b所示，在無負載側齒的接觸，其應力將增加到兩倍以上的設計應力。這種情況下，考慮到改變齒輪、軸等組件的固有頻率，成本是極其昂貴的，且改造時期長，解決措施是更換減速器，檢測新的減速器與總裝置的本身振動頻率以防共振，同時增加防振措施，在以后的設備維護中增加振動檢查。

13.4 螺旋槳傳動齒輪

圖8c所示是經常使用的螺旋槳傳動齒輪。

(1)在齒的左側，有塑性變形的接觸表面，

(2)在圖8c的中心，小而明顯的塑性變形齒頂部脊線。這表明是重負載且潤滑不良的結果，須要檢查出額外負荷的來因，增加和改善潤滑，縮短維護保養周期。

按照齒輪故障樹的思路，詳細檢查故障的齒輪，查看每一個癥狀，參考齒輪的材料、熱處理、潤滑條件和工作狀況等，運用上面講述的方式方法，齒輪會告訴你它們為什么會失效。

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