軋機減速機齒輪點蝕分析與預防

施銀輝

（福建省三明鋼鐵廠勞動服務公司，福建 三明 365000）

軋機減速機做為軋機機組的重要設備，齒輪又是減速機的關鍵性部件，齒輪的損壞可能影響整個傳動系統或其他機械部件損壞，產生影響生產運行的嚴重后果,給企業造成巨大損失。減速機質量及使用情況成了冶金設備生產企業能否在市場競爭中脫穎而出的重要因素之一，絕大多數冶金設備生產企業和軋鋼企業曾被減速機齒輪損壞所困擾，尤其是高速重載大齒輪，因其制造成本高，多數企業無配置相應的齒輪備件，一旦損壞，對生產的順利進行產生嚴重影響，因此，齒輪在使用過程中的維護就尤為重要。在使用過程中，齒輪通常發生斷齒、齒面疲勞點飾剝落及齒面磨損等損壞形式，作為閉式傳動重載減速機齒輪齒面疲勞點飾損壞是最普遍的失效形式之一。

1 齒輪疲勞損壞原因分析

齒輪齒面疲勞點飾損壞主要是因為輪齒工作時，其工作齒面上的接觸應力是隨時間而變化的脈動循環應力。齒面接觸應力超過材料的接觸極限應力時,齒面表層會產生細微的疲勞裂紋,裂紋的擴展使表層金屬微粒剝落下來而形成一些小坑,俗稱點蝕。點蝕會使齒面減少承載面積,引起沖擊和噪音,嚴重時輪齒會折斷。根據損壞程度不同，點蝕可分為初始點蝕，破壞性點蝕。一般初始點蝕在齒輪磨合過程中可自行矯正或是擴展性的，一般不致構成破壞，而破壞性點蝕及表面剝落一旦出現，隨著齒輪的繼續使用點蝕和剝落區域不斷擴大，可能導致齒面破壞，齒輪運轉不平穩震動加劇，傳動噪聲增大。當其損壞達到一定程度時，可能導致輪齒折斷，尤其是關鍵性齒輪的損壞，可能造成整個傳動系統或機械部件損壞的嚴重后果。對損壞齒輪尤其是早期損壞的齒輪進行失效分析，正確判定齒輪損壞類型和破損程度，找出損壞的產生原因，從而提出并采取有效的預防措施，可以較少或預防齒輪類似損壞事故的重復發生，以提高齒輪的使用壽命，保證設備的正常運行。

2 齒輪疲勞點蝕損壞的預防

齒輪疲勞損壞的預防具體可分為三個階段：設計期、制造期、使用期。

2.1 設計期預防

齒輪輪齒相互嚙合傳動過程中，輪齒的接觸疲勞表面作滾動或滑動復合磨擦時，在交變接觸應力的作用下,表面金屬會形成疲勞斷裂。對于齒輪來講，通常齒根的彎曲疲勞和齒面接觸疲勞兩種失效形式占多數。齒面接觸疲勞的計算主要是了解接觸應力的大小，是判斷正常設計情況下，齒面是否可能發生接觸疲勞失效的理論依據。

輪齒表面和次表面金屬可能受拉伸、壓縮和剪切應力。接觸面間以純滾動方式運動，沒有滑動現象，類似于輪齒節線出的嚙合狀態，接觸表面在載荷作用金屬產生彈性變形，接觸區是以一定寬度的壓縮接觸而不是線接觸。壓縮帶中心區彈性壓縮最大接觸帶前后的金屬在應力作用下產生彈性位移凸起，同時在該區域金屬皮下表層產生剪切應力。應力大小取決于金屬的彈性模量、金屬面承受的總壓力和接觸表面的曲率半徑。

選用材料彈性模量和接觸長度一定時，接觸表面應力大小與接觸表面的曲率半徑有關。曲率半徑越小，接觸帶就越窄，單位表面的接觸應力也就越大。承載轉動表面受力分析表面，承載齒輪在嚙合傳遞動力過程中，輪齒表面各處承受著不同形式的應力作用，齒面和皮下金屬在拉伸、壓縮和剪切應力作用下，經過多次重復應力作用后，齒面和皮下金屬可能產生微小裂紋形成疲勞源，隨之應力循環次數增加，裂紋將不斷擴展以致相互連接起來形成小塊金屬脫落，齒面出現點蝕剝落，齒輪齒面產生疲勞損壞。

2.2 制造期預防

齒輪的點蝕的最主要原因是齒輪嚙合沒有達到足夠高的配合精度造成局部接觸應力過載，導致疲勞損壞，因此可通過以下幾種方式加以預防和控制齒輪的損壞，提高設備運行的可靠性：

2.2.1 提高齒輪加工精度

齒輪加工精度太低，造成嚙合的齒輪齒輪接觸不良容易造成局部齒面超負荷工作，使齒輪局部實際接觸應力超過齒輪材料的許用接觸應力。提高齒輪加工精度，減少齒輪副的兩中心線不平行或交叉偏差及加工時齒向誤差造成的精度誤差，有利于保證齒輪傳動的平穩性。

2.2.2 保證齒輪材料質量

重載大齒輪多以鑄造毛坯加工而成，齒輪毛坯材料的局部缺陷及其熱處理不均勻造成的點蝕往往比較平滑，所造成的點蝕往往發生在一小區域內，這種情況往往造成齒輪局部強度不足，最終導致齒輪折斷的現象發生，就需要更換齒輪。因此優良的鑄造和熱處理工藝水平就尤為重要。

2.2.3 安裝不良造成的齒面點蝕

齒輪的裝配及機體的安裝精度直接影響齒輪齒面的接觸面積，裝配時必須嚴格控制齒輪軸線與齒輪的軸線平行度誤差，精確調整減速機體與減速機底座及電機等配合部件的聯接精度，減少軸向和徑向跳動，保證齒面的接觸精度，避免局部接觸應力過大，可以有效減少齒輪點蝕疲勞現象。

2.3 使用期點蝕分析與預防

2.3.1 初始點蝕

重載傳動齒輪的初始點蝕現象也是屢見不鮮的，新齒輪嚙合初期，常因齒面偏離漸開線曲面較大，在若干個微凸起處產生較大的接觸應力，造成點蝕現象，點蝕區出現很淺的小麻點，一般較分散，有時伴隨有輕微的膠合磨損。。當齒面經過一段時間跑合后，微凸起處逐漸變平，從而擴大了接觸區。又由于磨損、碾壓等原因使其表面接觸趨于平滑，高峰接觸應力隨之降低，因而促使點蝕停止發展。實踐表明，這種點蝕一般情況下不再發展，經過一定階段的嚙合磨合后就點蝕就會消失，因此這類點蝕一般不會造成損壞。

2.3.2 破壞性點蝕

破壞性點蝕多數出現于節線以下的齒根區域。這是由于齒根處曲率半徑較小，齒面接觸應力較高的緣故。震動齒輪在嚙合過程中，從齒根處初始接觸點開始，齒面曲率半徑逐漸增大，接觸應力也隨之下降。通常重載傳動的直齒輪，當接觸點移至一定位置時，嚙合齒的數目由兩對牙齒變為一對，此時接觸應力增至最大，當接觸區域繼續向外移動時，接觸應力再次開始下降，每當輪齒過負荷時，金屬表面可能產生疲勞損壞。通常在主動齒輪的齒根區域，經過長時間工作后可能出現破壞性點蝕，如果過負荷足夠大，短時間嚙合后就能產生這類點蝕破壞。

齒輪嚙合傳動過程中，主動齒輪和被動齒輪相互接觸區承受相同的應力，但在正常情況下，點蝕首先出現于主動齒輪的齒根部位。分析認為這是主動齒輪通常直徑較小，轉速較高，輪齒數目也較少，因而承受著較頻繁的重復應力，此外主動齒輪輪齒上滑動方向與齒面間的滾動方向相反，因此金屬表面產生過度伸張，促使疲勞裂紋的產生和擴展，最后導致齒面產生點蝕破壞。

破壞性點蝕通常呈小點狀金屬脫落形成凹坑，當點蝕逐步擴大或點蝕相互連接起來，可能造成較大面積破壞，齒輪運轉不平穩，傳動噪音大。這種點蝕破壞發展到足夠程度時，可能導致輪齒斷裂，應加以重視。

軋機減速機做為軋機機組的重要設備，齒輪又是減速機的關鍵性部件，齒輪的損害可能影響整個傳動系統或其他機械部件損壞，影響生產運行的嚴重后果，點蝕做為齒輪損壞的初始階段，如果能夠通徹分析其產生的原因，采取相應的措施，可以延長齒輪使用壽命，減少生產設備事故的發生，促進生產的順利進行。