齒輪失效分析及其預(yù)防措施

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上齒輪失效分析及其預(yù)防措施摘要：齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的零件的重要零件，齒輪種類眾多，工作環(huán)境不同，因此有不同的失效形式，失效類型由失效齒輪的形貌和失效過(guò)程或機(jī)理確定的。本文將介紹齒輪的失效類型以及預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：齒輪，磨損，疲勞，斷裂Gear failure analysis and prevention measuresAbstract:Gear parts to transmit motion and power of the vital parts, Many gear types, The work environment is different, so t

2、here 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 preventive measures.Key words: Gear,Wear,Fatigue,Fracture引言從近幾年出現(xiàn)的機(jī)車配件失效狀況和失效類型來(lái)看, 有的配件在規(guī)定的使用期內(nèi)發(fā)生

3、早期失效, 造成損失, 個(gè)別配件失效問(wèn)題長(zhǎng)期得不到解決, 引發(fā)慣性事故1。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中很普遍的一種。齒輪傳動(dòng)用于傳遞任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。其圓周速度可達(dá)到300m/s，傳遞功率可達(dá)105k W，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動(dòng)。因而，齒輪質(zhì)量的好壞直接影響了設(shè)備的使用范圍和使用壽命2。齒輪的失效是造成機(jī)器故障的重要因素之一,其運(yùn)行狀況直接影響整個(gè)機(jī)器或機(jī)組的工作3。所以必須對(duì)斷裂齒輪進(jìn)行失效分析,對(duì)主動(dòng)齒輪的制造工藝進(jìn)行改進(jìn)研究,提高齒輪的綜合機(jī)械性能和運(yùn)行壽命4。1 齒輪失效分析齒輪的主要失效形式有齒面磨損、輪齒折斷、輪齒變形等, 其中前兩者最為常見。1.1 齒面磨損齒面磨損是指

4、嚙合面之間因摩擦導(dǎo)致摩擦面逐漸有微小顆粒分離出來(lái), 形成磨屑, 并且反復(fù)進(jìn)行, 使齒輪表面不斷發(fā)生尺寸變化和重量損失。齒面磨損嚴(yán)重時(shí), 齒廓損毀, 柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲增大, 油溫上升等。此外, 齒面磨損后齒厚變薄可能導(dǎo)致輪齒抗彎曲強(qiáng)度不足而斷裂。齒輪的磨損不可避免。對(duì)于正常運(yùn)行的齒輪, 其磨損過(guò)程一般包括跑合磨損、穩(wěn)定磨損和急劇磨損3 個(gè)階段。失效分析工作中的齒輪磨損通常是指異常磨損, 即穩(wěn)定磨損階段過(guò)短或不存在, 主要呈現(xiàn)為急劇磨損現(xiàn)象。齒輪磨損失效的常見形式有: 粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損, 其中前三者是在滑動(dòng)條件下產(chǎn)生的,而疲勞磨損則產(chǎn)生于滾動(dòng)或滾動(dòng)+滑動(dòng)條件下5。1.1.1

5、 粘著磨損粘著磨損, 是指齒面金屬在一定壓力下直接接觸發(fā)生粘著, 同時(shí)隨著齒面的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 較軟輪齒的表面金屬被較硬齒面撕落, 在齒面滑動(dòng)方向上形成溝紋, 其發(fā)生部位在節(jié)圓附近的齒頂面上,粘著磨損的摩擦機(jī)理如下:摩擦副實(shí)際表面存在微小凸起, 當(dāng)摩擦副雙方接觸時(shí), 真實(shí)接觸面的局部應(yīng)力足以引起塑性變形。若接觸面潔凈且未受腐蝕, 則局部塑性變形會(huì)使接觸面上的原子彼此十分接近, 發(fā)生原子間的鍵合作用, 產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷焊現(xiàn)象( 或稱粘著) 。后續(xù)的滑動(dòng)剪斷粘著點(diǎn), 并轉(zhuǎn)移到一方齒面或脫落形成磨粒。粘著剪斷、轉(zhuǎn)移再粘著循環(huán)進(jìn)行, 構(gòu)成粘著磨損過(guò)程。此類失效事故在高速重載或低速重載工況下均可能發(fā)生, 導(dǎo)致粘

6、著磨損的原因主要包括: 潤(rùn)滑不足, 潤(rùn)滑油溫過(guò)高, 摩擦副表面無(wú)氧化膜, 過(guò)載等。通過(guò)采用良好的潤(rùn)滑方式、限制潤(rùn)滑油溫以及使用抗膠合添加劑的合成潤(rùn)滑油, 可以防止或減輕事故發(fā)生; 同時(shí), 適當(dāng)?shù)呐芎峡梢栽龃簖X面的實(shí)際接觸面積、使齒面產(chǎn)生加工硬化, 并且在齒面形成牢固的氧化膜, 這些均可提高齒輪的抗粘著磨損能力; 另外, 加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng), 避免過(guò)載, 也是預(yù)防失效事故的重要措施8。1.1.2 磨粒磨損磨粒磨損是指嚙合齒面之間存在硬質(zhì)粒子而產(chǎn)生的磨損。實(shí)際工作過(guò)程中, 齒輪與軸承等零件因摩擦磨損產(chǎn)生的微小顆粒、焊接飛濺物、氧化皮、銹蝕物和其它類似的金屬和非金屬雜物進(jìn)入齒輪的工作面, 由于齒面間存在

7、相對(duì)滑動(dòng), 這些外來(lái)顆粒起著磨粒作用, 產(chǎn)生磨損。 磨粒磨損主要發(fā)生于開式傳動(dòng)齒輪, 閉式傳動(dòng)齒輪由于密封和潤(rùn)滑條件較好, 通常不會(huì)發(fā)生磨粒磨損, 但同樣應(yīng)該注意潤(rùn)滑油的清潔和更換, 特別是新齒輪跑合后, 若未予清洗, 則跑合過(guò)程中產(chǎn)生的金屬屑污染潤(rùn)滑油, 也可能造成磨粒磨損6。1.1.3 腐蝕磨損齒輪運(yùn)行時(shí)， 在主、從動(dòng)齒輪接觸過(guò)程中某一瞬時(shí)在齒面上的特定區(qū)域分別受到拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力等。在一定的循環(huán)次數(shù)后， 由于疲勞作用而在輪齒表面產(chǎn)生輕微裂紋， 潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋后產(chǎn)生高壓， 促使裂紋長(zhǎng)大并連接起來(lái)， 使小塊金屬?gòu)谋砻嫔系粝聛?lái)， 形成的小坑即為點(diǎn)蝕。如果表面疲勞裂紋向四周擴(kuò)展得較遠(yuǎn)較深

8、， 或者一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來(lái)， 造成大塊金屬脫落的現(xiàn)象即為剝落7。1.1.4 疲勞磨損當(dāng)兩齒輪面作滾動(dòng)或滾動(dòng)+滑動(dòng)摩擦?xí)r, 在交變接觸應(yīng)力長(zhǎng)期作用下, 齒面材料因疲勞損傷導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落現(xiàn)象, 即為齒面疲勞磨損, 或稱接觸疲勞, 齒輪疲勞磨損的宏觀特征: 節(jié)圓線附近的齒面出現(xiàn)許多針孔狀或豆?fàn)畎伎? 有的凹坑較深, 呈貝殼狀, 存在疲勞裂紋發(fā)展紋理8。疲勞磨損的根本原因是齒面最大接觸應(yīng)力大于材料的接觸疲勞極限, 隨著載荷的多次重復(fù), 輪齒表層產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展, 最終擴(kuò)張至齒面形成剝落塊。提高齒輪的抗疲勞磨損性能的手段可分為兩種:1) 改善內(nèi)部影響因素。( 1)

9、 生產(chǎn)上盡量減少齒輪鋼材中的非金屬夾雜物, 特別是氧化物類和硅酸鹽類, 有條件情況下,應(yīng)采用電渣重熔、真空冶煉等工藝;( 2) 嚴(yán)格控制齒輪的熱處理組織狀態(tài), 如馬氏體級(jí)別、殘余奧氏體數(shù)量、脫碳層深度、表面硬度和心部硬度、表面有效硬化層深度以及殘余應(yīng)力等。2) 優(yōu)化外部環(huán)境。( 1) 降低齒面的粗糙度, 提高齒輪嚙合的接觸精度;( 2) 合理設(shè)計(jì)齒輪間的硬度匹配;( 3) 適當(dāng)使用粘度大的潤(rùn)滑油, 減輕潤(rùn)滑油向齒面微裂紋中的滲入, 從而減緩裂紋的擴(kuò)展;( 4) 避免過(guò)載等。1.2 輪齒斷裂1.2.1 疲勞斷裂輪齒類似一懸臂梁, 在載荷的反復(fù)作用下, 齒根產(chǎn)生循環(huán)變化的彎曲應(yīng)力。當(dāng)該處的應(yīng)力超過(guò)

10、其疲勞極限時(shí), 即形成疲勞裂紋并逐步擴(kuò)展, 最終造成疲勞斷裂,在齒輪的生產(chǎn)和使用過(guò)程中, 造成齒輪疲勞失效的原因主要有: ( 1) 齒根過(guò)渡圓角過(guò)小; ( 2)齒根處粗糙度過(guò)高; ( 3) 加工輪齒時(shí), 在齒根處形成有害刀痕或拉傷; ( 4) 熱處理裂紋; ( 5) 輪齒心部硬度或齒根部硬度過(guò)低; ( 6) 安裝不當(dāng), 齒輪嚙合處接觸長(zhǎng)度不足, 導(dǎo)致齒輪有效承載區(qū)域減小等。若使用過(guò)程中齒輪遭受瞬時(shí)的嚴(yán)重過(guò)載, 則可能造成輪齒突然斷裂, 如鑄鐵齒輪容易發(fā)生此類過(guò)載斷裂事故8。1.3 塑性變形在過(guò)大的載荷運(yùn)行時(shí)， 較軟的齒面上可能產(chǎn)生局部的塑性變形， 從而使齒輪的齒廓和齒向形狀發(fā)生變化， 齒輪失去

11、正確嚙合所需要的齒形。這種損壞常在低速和過(guò)載時(shí)出現(xiàn)， 在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻繁的傳動(dòng)中也常見到。軟齒面齒輪在傳遞過(guò)大的載荷時(shí)，易產(chǎn)生齒面塑性邊線變形。在齒輪間過(guò)大的磨擦力作用下， 齒面接觸應(yīng)力超過(guò)材料抗剪切屈服極限，齒面材料進(jìn)入塑性狀態(tài)， 造成齒面塑性流動(dòng)。使主動(dòng)齒輪在節(jié)線附近形成凹坑， 從動(dòng)齒輪在節(jié)線附近齒面形成棱脊凸起， 使齒輪失去正確的齒形輪廓，從而使齒輪嚙合的受力情況急劇惡化， 導(dǎo)致齒面起褶脫落失效的情況出現(xiàn)。齒輪塑性變形的形式有：碾壓與沖擊變形， 起波紋、脊?fàn)钛由斓?。2 齒輪失效原因統(tǒng)計(jì)分析齒輪失效事故統(tǒng)計(jì)分析表明, 失效的原因基本歸為設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和維護(hù)四種類型。對(duì)于成熟的柴油機(jī)

12、產(chǎn)品而言, 齒輪失效事故大多數(shù)系用戶使用和維護(hù)不當(dāng)所致, 其次為安裝質(zhì)量問(wèn)題, 制造和設(shè)計(jì)問(wèn)題所占比例較小。因此, 齒輪系統(tǒng)的質(zhì)量工作重心是進(jìn)一步規(guī)范用戶的使用和維護(hù)行為8。3 預(yù)防措施(1)嚴(yán)格控制進(jìn)廠鋼材的質(zhì)量,對(duì)所需鋼材的化學(xué)成分、低倍組織、淬透性、力學(xué)性能等指標(biāo)提出具體要求,并加大抽檢量10。(2) 提高齒輪強(qiáng)度,選擇合適材料并增加“開溝調(diào)質(zhì)”工序;提高表面淬火熱處理工藝水平,杜絕熱處理內(nèi)裂;使齒輪淬硬層與基體組織間有過(guò)渡區(qū)域(防止組織突然過(guò)渡) ;防止偏載運(yùn)轉(zhuǎn)嚴(yán)格控制軸瓦間隙,保證齒面接觸精度,減少軋制過(guò)程中齒輪軸對(duì)軸瓦的沖擊;運(yùn)用現(xiàn)代手段和方法,對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行無(wú)損探傷檢查2。(3

13、) 比較合理的齒輪工藝過(guò)程為:煉鋼(爐外精煉) 鍛造鍛后一次退火探傷、檢驗(yàn)粗車探傷開溝調(diào)質(zhì)探傷、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)半精車精車滾齒一次跑合表面淬火、回火探傷二次跑合9。(4) 材料選用合金鋼材料如40Cr、42CrMo等代替45鋼，因?yàn)楹辖痄摰拇阃感院土W(xué)性能要比45鋼好9。對(duì)于模數(shù)較大或軸徑較粗的工件則改用綜合性能好的20CrMnTiH鋼10。參考文獻(xiàn) 1 周治中.柴油機(jī)配件失效分析及預(yù)防措施J.機(jī)車車輛工藝,2006,10（5）:12 回艷.C616車床變速箱傳動(dòng)齒輪失效分析J.金屬加工,2010,10（36）:13 周明康.對(duì)齒輪失效的因果分析J.機(jī)械制造與研究,2008,2（95）:24 李六如.薄壁主動(dòng)齒輪失效分析及工藝改進(jìn)J.精密成形工程,2009,1（2）:15 束德林. 金屬力學(xué)性能J