機械工程中齒輪失效形式及預防

姜鵬浩?黃文祥

摘 要：本文主要根據齒輪失效的幾種形式進行研究，通過對其失效的形式及原因進行分析，提出了解決齒輪失效的幾種預防措施，使設備故障判別的準確率得到提高，并將故障及時的解決，進而促進企業經濟效益的提高。

關鍵詞：機械傳動;齒輪失效;診斷檢修

隨著機械傳動齒輪在機械制造業中的使用越來越廣泛，它的檢修技術與診斷技術將會不斷進行推廣，更多的人將會掌握這一技術。運用科學的方法，不斷引進國際先進儀器與技術，更加熟悉齒輪的運行規律，才能更好地判斷齒輪的故障問題與解決辦法，更好地為國民經濟的發展貢獻齒輪傳動最大的能力。齒輪傳動的失效是機械設備失效的形式之一，是指在運行中失去設計功能或者發生損傷失效。通過對大量事故進行分析，人們認識到失效分析工作的重要性。在許多現代的先進企業中，失效分析已成為一項重要的工作。

1.機械傳動齒輪失效的檢修

檢修失效的機械傳動齒輪主要有幾種情況：首先是齒輪有裂紋出現或是齒面斷裂時，就需要報廢了;二是當齒輪輪齒的表面點蝕損壞占整個輪齒表面的三成以上，深度達到10%以上，或者點蝕面積超過60%，就需要報廢處理;三是對于齒輪的磨損，它對于不同的應用機構有著不同的要求。對于一般的提升機構而言，安全系數較高，磨損齒厚不應該低于原厚度的80%;對于一般性的運行機構而言，齒輪的磨損不應該低于60%，如果超出此范圍，則需要更換齒輪結構了。第四，為避免膠合現象出現，應該采用高粘度的潤滑油，因為膠合會發生在低速但載荷力較大的場合，這個時候除了加潤滑油外，還需要提高齒輪面的硬度、減少齒面的表面粗糙度。加入潤滑油，對于點蝕失效、磨損失效都有較佳效果。針對不同的失效模式的齒輪有著不同的檢修方法。對于高速運轉使用的齒輪出現磨損情況時，一般潤滑油過少或者間隙過小，它的排除方法就是減少負荷，增加潤滑油;針對齒頂變尖的現象，可以增加齒輪的齒心距，或改用變位齒輪;針對齒形出現波紋磨損時，需要增加潤滑油。

2.機械工程中齒輪失效形式

2.1齒輪折斷

在機械工程中，齒輪折斷有著很大的危險性，這類現象的發生直接導致齒輪最終失效。按照其引發機制可分為疲勞折斷、過載折斷以及隨機折斷。齒輪在循環載荷的作用影響下，齒根處將會集中較大的彎曲應力，長此以往，如果集中的應力超出了齒輪的疲勞極限，那么就容易在齒根圓角部位出現疲勞裂紋。隨著齒輪循環次數和工作時間的的增加，經過長期的重復工作，疲勞裂紋將會不斷加深擴展，終將出現疲勞斷裂。有較多的因素可以預防齒輪形成疲勞斷裂，如齒輪設計時未能充分的估計實際荷載、齒根過渡圓角小、加工精度低、齒輪材料不當等等。

2.2齒面膠合

齒輪在機械運動過程中，往往是進行高速重載傳動，齒輪在發生傳動時，機械摩擦力做功會使齒合區的溫度上升，這就在一定程度上破壞了潤滑油膜，進而導致兩個齒面金屬直接接觸，且相互粘連，進而在齒面進行相對滑動，相對較軟的齒面金屬則會隨著齒輪的滑行方向被撕下，并產生溝紋，齒輪發生的這種現象則稱為膠合。結合齒面膠合的不同原因和特征，可將其分為破壞性膠合、輕微膠合、局部膠合及中等膠合等。齒輪若發生齒面膠合后，將會引發強烈的發熱現象和磨損、出現不平穩的傳動，甚至是導致齒輪報廢。

2.3齒面點蝕

在工作過程中，齒輪齒合表面上的每一個點產生的接觸應力都是根據其工作狀態進行變化的。如果齒面的接觸應力大于材料的接觸應力的極限值時，那么將會有一些細微的疲勞裂紋在齒面表層形成，隨著裂紋的擴展，逐漸剝落齒輪表層的金屬微粒，進而出現一些細小的坑洼，又被俗稱為點蝕麻坑。齒面在出現點蝕后，其承載面積將會減少，引發噪音或沖擊，甚至會折斷齒輪。倘若齒輪的點蝕面積大于齒寬、齒高的60%，則要對零件進行更新。

2.4齒面磨損

齒面磨損通常有兩種形式：一種是齒面進入了砂粒、鐵屑等硬質屑粒，進而形成磨粒磨損現象，另一種是齒輪表面的相互摩擦而形成研磨磨損。當齒輪表面出現過渡磨損后，會大量的磨損工作表面材料，破壞齒輪形狀，極易引發嚴重的振動和噪音，進而導致齒輪傳動失效。所以，在關鍵的重要齒輪中，齒面磨損要小于原齒厚度的10%，而對于一般齒輪的齒面磨損，則是根據設備的用途小于20%-30%，應及時更換超過標準的齒輪。

3.預防機械工程齒輪失效措施

3.1提高齒輪安裝精度

齒輪材料的選擇，要根據強度、韌性和工藝性能要求，綜合考慮。結合我國實際，宜選用低碳合金滲碳鋼。對于承受重載和沖擊載荷的齒輪，采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金滲碳鋼為主的鋼材;對于負載比較穩定或功率較小，模數較小的齒輪，亦可選用無Ni的Ni-Mn鋼。用這種鋼材制造的齒輪與普通電爐鋼制造的齒輪相比，其接觸和彎曲疲勞壽命可提高3-5倍，齒輪極限載荷可提高15%-20%。

3.2齒輪的熱處理及表面硬化

合理的熱處理及表面硬化處理，可以大幅度提升齒輪性能，防止失效。先對齒輪進行滲碳、滲氮等熱處理，在對齒面、齒根等關鍵部位噴丸強化，即提升了表層向芯部過渡的區域抗剪強度又提高了齒輪表面接觸疲勞強度（30%～50%）。此外正確的安裝運行，選用合理的潤滑油等措施都可以起到防止及減緩齒輪失效的作用。根據相關資料顯示，齒輪失效事故中，由于不當的潤滑而引發的機械事故占20%，潤滑不足而引發的機械事故占有的比例為35%。可以看出過半的機械事故是因為潤滑問題引發的。可見，齒輪在使用過程中選用較好的潤滑油的意義非常重要

4.結束語

據資料顯示，機械故障的34.4%源于潤滑不足，19.6%源于潤滑不當，換句話說，以54%的機械故障是由于潤滑問題所致。因此，選擇好的齒輪油對提高齒輪使用壽命有重要的意義。為了確保齒輪的強度和硬度，決定采用氬弧焊合金焊絲堆焊修復，后用磨光機整形處理方案，這樣焊后的齒輪輪齒少不經熱處理達到較高的硬度和強度。通過對齒輪失效形式的分析，可提高準確判別設備故障的能力，及時解除故障，提高經濟效益。

參考文獻：

[1]陳寶紅.齒輪的失效原因及修復方法[J].機械工程.2012

[2]劉鵬德.齒輪的失效及預防研究[J].科技縱橫.2014