農業機械齒輪的失效判定與維護

趙巖鐵

齒輪傳動是農業機械最主要的傳動方式。農業機械齒輪傳動的功率較大，大型拖拉機、大型作業機械功率都在100 kW以上，經常處于低速、大負荷甚至超負荷狀態工作，工作環境惡劣，加之使用保養不規范，因此齒輪傳動故障是常見的。影響齒輪傳動質量的因素很多，從構成結構上來看有齒輪箱、軸、軸承等零件，從精度上來看各零件的制造精度、裝配精度，從設計上有選材、熱處理等，從使用上涉及到齒輪的保養與潤滑。

一、齒輪的失效形式與判定

齒輪失效是指齒輪傳動過程中在外力作用下，齒輪傳動的動力能力、傳動精度的喪失，使齒輪不能可靠地工作的現象。農機齒輪的失效形式主要有斷齒、磨損、裂紋、點蝕、剝落、膠合、塑性變形等。

1.齒輪折斷

失效形式是齒輪的輪齒折斷，輪齒折斷有疲勞折斷與沖擊載荷作用下的折斷。疲勞折斷一般是由于輪齒的微裂紋在交變載荷作用下裂紋不斷擴展所造成的，沖擊折斷是齒輪在嚴重過載、沖擊或異物進入嚙合下產生的。

對于較大的輪齒折斷、裂紋的齒輪沒有修復的價值，需要更換新的齒輪。對于折斷量≤齒寬×1/4，有微波裂紋且不處于齒根部位的齒輪可以繼續使用。

2.輪齒磨損

磨損是使齒輪的齒厚變薄，變薄的齒輪傳遞載荷的能力下降，齒側間隙增大，齒輪在嚙合過程中會產生沖擊、振動且噪音增大。較小量的齒輪磨損可以正常使用，過大的磨損必需更換新的齒輪。

產生磨損的主要原因是在大負荷工況下長期地工作，產生的機械磨損；長期不更換潤滑油，潤滑油中的鐵屑、硬質顆粒等造成的研磨磨損；沒有使用規定型號的潤滑油，使潤滑、減磨性能下降等原因所造成。齒輪磨損使齒輪嚙合產生沖擊振動、噪音增大，誘發牙齒折斷。

判斷磨損失效的依據是齒厚減薄量與齒厚的比值，M=△S/mn，△S為實測齒厚的減薄量（可用齒輪卡尺、游標卡尺測量齒高中部的實際齒厚，△S為設計齒厚與實際齒厚的差），mn為齒輪的法向模數，對于拖拉機、農業機械的齒輪M≤40% ，M超過40%的齒輪就不能繼續使用了。

3.齒面點蝕

齒輪嚙合是齒輪上的牙齒依次工作，即齒面應力狀態為循環交變的壓應力、擠壓應力所形成的復合應力。農業機械的齒輪常用中碳合金鋼經過齒面高頻淬火、低碳合金鋼滲碳淬火處理，熱處理使齒面產生一層硬化層，這一層又比較薄，一般不超過2 mm。這層薄面硬化金屬層在交變負荷作用下極易產生微裂紋，微裂紋的不斷擴展使齒面的硬金屬層產生剝落。點蝕先出現在齒高中部，再向全齒面擴展，齒面點蝕使齒輪的承載能力、耐磨能力下降，過大點蝕的齒輪不能繼續使用。

點蝕失效的判定標準是齒面點蝕面積與齒面面積比值≤55%，或其中20%點蝕坑的最大尺寸與模數值的比值≤20%。

4.齒面剝落

齒面剝落是指齒面上的材料成片剝離的一種輪齒損傷，齒面剝落后的坑比較淺、形狀不規則，顯現出淺平狀態。齒面剝落主要的原則是齒輪在交變載荷作用下疲勞，或是熱處理所造成的微裂紋擴展所產生的。齒面剝落使齒輪的承載能力、耐磨能力嚴重下降，如不及時更換會產生牙齒折斷的故障。

齒面剝落失效的判定依據是齒面剝落面積與齒面面積比值≤55%，或其中20%剝落坑最大尺寸與模數的比值≤20%。

5.齒面膠合

膠合是相嚙合齒面的金屬，在一定壓力下直接發生粘著，同時隨著齒面的相對運動，使金屬從齒面上撕落而引起的一種嚴重的粘著磨損現象。農業機械齒輪都是低速重載運動工況，齒面是在臨界摩擦狀態，齒面嚙合中不能夠產生良好的潤滑油膜。齒面在重壓下金屬產生熔化粘合，同時齒輪的相對運動使齒面金屬撕落產生膠合。膠合使齒輪齒面接觸面積減小，承載能力下降。

膠合失效判定標準是齒面膠合面積與工作齒面面積的比率≤30%，膠合的溝痕深度與齒輪模數的比率≤15%。

6.塑性變形

輪齒在嚙合擠壓應力的作用下，或由于堅硬異物進入嚙合使齒面形狀產生變形。齒面塑性變形就是使齒面偏離設計的曲面形狀。塑性變形主要原因是輪齒表面硬度不夠或長期超載。塑性變形使齒輪嚙合精度下降，承載能力下降，產生振動與噪音。

塑性變形失效的標準是齒輪表面產生的塑性變形量（齒面所形成的峰高或谷深值）≤20%×齒輪模數。

二、齒輪傳動的正確保養與裝配

齒輪傳動要按農業機械保養要求進行保養，定期更換符合質量標準的潤滑油。發動機、變速箱、后橋等各部位所用的潤滑油型號、更換間隔等都是不同的，不符合保養要求的潤滑油會使齒輪嚙合的減磨、降溫等效果嚴重下降。陳舊潤滑油最好是在熱車的狀態下放出，使齒輪箱中的沉淀物、鐵屑、硬質顆粒等隨之放出，減少對齒輪的磨損、刮傷。

在使用農業機械時要避免過載，保證齒輪傳動系統的封閉性，以免灰塵、硬物質進入齒輪箱。

更換齒輪時要購買原廠的配件，原廠配件是按制造農業機械整車用零件的材料、工藝標準生產制造的，與所要更換的零件質量完全一致。非原廠的配件其制造工藝、生產質量標準、材料選用與設計要求可能會不一致，齒輪就達不到原廠零件的質量，用非原廠配件可能就會在使用中引發故障。在選擇齒輪時特別要注意輪齒的表面粗糙度，研究表明對于處在邊界潤滑狀態的低速重載齒輪表面粗糙度對表面磨損影響較大，初始表面粗糙度高的磨損率高, 初始表面粗糙度低的磨損率低，因此要選擇表面粗糙度值小的（表面光滑的齒面）的齒輪。

齒輪裝配質量不高對齒輪傳動質量會造成較大的影響。齒輪裝配質量主要影響齒輪的接觸質量，接觸質量是齒輪點蝕、剝落、折斷、膠合、磨損等失效的主要原因。齒輪及軸系零件在安裝時，要保證齒輪孔與軸、齒輪端面與軸肩接觸良好，齒輪軸與軸承、軸承與箱體孔配合處于過渡配合和小間隙配合，不能有較大配合間隙，要保證齒輪分度圓與軸承回轉軸線的同軸度。兩嚙合齒輪軸線的平行度要高，特別要保證兩軸線在垂直于兩軸線形成的平面內的平行度誤差，這個誤差對齒輪的嚙合質量影響更大。要保證兩嚙合齒輪在齒寬上的嚙合長度，對于錐齒輪特別要注意調節小錐齒輪的軸向位置，使兩錐齒輪在嚙合時有正確的嚙合位置和嚙合印痕。

新齒輪裝配后在投入使用前，應進行充分的跑合，即進行磨合，嚴禁不經過磨合就進行生產使用。新齒輪在經過加工后齒面都存在著凸凹不平，即存在著表面粗糙度，表面粗糙度使齒面的接觸表面質量下降，經過試運行的跑合能有效地降低表面粗糙度對接觸質量的影響，通過跑合的齒輪能有效地改善齒輪表面的接觸質量，即能有效地提高承載能力、提高耐磨性能。因此，農業機械維修后都要按試運行操作規程認真磨合，嚴禁更換新齒輪后立即投入作業，并在試運轉后要放掉潤滑油。

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