聶勇軍，羅敬東

(廣州航海高等專科學(xué)校船舶工程學(xué)院，廣東廣州510725)

0 引言

齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中廣泛采用的主要運(yùn)動(dòng)形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)器的總故障次數(shù)中，齒輪故障占10.3%左右，在齒輪箱的失效零件中，齒輪失效占60%左右［1］。因此齒輪的損傷和失效倍受人們的關(guān)注。齒輪的失效可分為輪體失效和輪齒失效兩大類。由于輪體的失效在一般的情況下很少出現(xiàn)，因此齒輪的失效通常是指輪齒失效。所謂輪齒失效，就是齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，由于某種原因，使輪齒在尺寸、形狀或材料性能上發(fā)生改變而不能正常地完成所規(guī)定的任務(wù)［2］。而齒輪的失效模式各不相同。對(duì)于齒輪失效產(chǎn)生的原因，除去一些無法預(yù)測(cè)的外界因素外，通?？梢园妖X輪的失效歸結(jié)于齒輪的磨損引起的。齒輪磨損失效故障的產(chǎn)生原因復(fù)雜，不但與齒輪的材料有關(guān)，而且與齒輪的制造、裝配有關(guān)，也與齒輪長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

1 齒輪失效模式

通常齒輪的工作狀態(tài)都是處于潤(rùn)滑的狀況下的。但齒輪在運(yùn)動(dòng)過程涉及到的因素很多，每個(gè)不同齒輪失效模式與其工作環(huán)境有很大關(guān)系，但是根據(jù)齒輪運(yùn)動(dòng)方式可知，齒輪之間的嚙合運(yùn)動(dòng)既有兩個(gè)嚙合齒輪之間滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，又有滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由此可知齒輪之間既有滑動(dòng)磨損又有滾動(dòng)磨損。齒輪損壞的模式主要可以分為［2－5］:

1)齒面磨損 2)齒面點(diǎn)蝕

3)齒面膠合與劃痕 4)齒輪局部表面嚴(yán)重剝落

5)齒輪齒根裂紋和斷齒 6)齒面塑性變形

2 齒輪失效形成機(jī)理

為了分析齒輪磨損失效的機(jī)理，從齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)開始來探討。齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)如圖1所示:由圖可以推算出齒輪嚙合的兩齒表面相對(duì)于接觸點(diǎn)K的速度為:

圖1 齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)圖

u1、u2分別為齒輪1和齒輪2相對(duì)于接觸點(diǎn)K的速度，比較兩式可知其大小不相同(節(jié)點(diǎn)處除外)。方向如圖1所示可知亦不相同(節(jié)點(diǎn)處除外)，這樣可以得到如下結(jié)論:兩齒輪齒廓在該嚙合點(diǎn)處沿公切線方向的速度大小不同，所以在兩齒廓之間必將產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。而且其相對(duì)滑動(dòng)速度的大小是隨嚙合點(diǎn)的位置不同而改變的。從而可知齒輪之間的運(yùn)動(dòng)既有滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)有滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在正壓力作用下，必將使兩齒輪的齒廓之間既產(chǎn)生滾動(dòng)磨損又產(chǎn)生滑動(dòng)磨損。從而可以得出齒輪嚙合過程的應(yīng)力圖，如圖2所示［6］，其中圖2的(a)圖表示兩個(gè)齒輪在節(jié)點(diǎn)處的嚙合面應(yīng)力圖，(b)表示兩個(gè)齒輪在除節(jié)點(diǎn)外的嚙合面應(yīng)力圖。本文下一節(jié)就利用齒輪嚙合接觸對(duì)應(yīng)力情況來分析各類齒輪失效模式的形成。

圖2 齒輪嚙合接觸面應(yīng)力狀態(tài)圖

3 齒輪失效形成分析

3.1 齒面磨損齒面磨損的原因很多，而且每種原因?qū)е碌哪p類型也不盡相同，可以簡(jiǎn)略地分為以下幾種。由于輪齒承受高載荷，可能會(huì)導(dǎo)致中等磨損，這種磨損一般表現(xiàn)在主動(dòng)輪齒的頂部和從動(dòng)輪齒的根部，損傷結(jié)果是降低使用壽命，同時(shí)噪音增大;在齒輪運(yùn)行過程中如果齒輪的嚙合節(jié)圓的滑動(dòng)受阻，就會(huì)導(dǎo)致破壞性磨損，使得工作惡化，輪齒變形，使用壽命顯著降低，并可能進(jìn)一步導(dǎo)致點(diǎn)蝕和塑性變形;干涉磨損是由于設(shè)計(jì)、制造不當(dāng)或組裝不良造成的，表現(xiàn)為主動(dòng)齒輪的齒根被挖傷，從動(dòng)輪齒頂嚴(yán)重破壞，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生腐蝕，增大噪聲，最終導(dǎo)致一對(duì)嚙合齒輪全部不能使用而報(bào)廢;還有腐蝕磨損是由于空氣中的潮濕氣體，酸或堿性物質(zhì)造成潤(rùn)滑油的污染，潤(rùn)滑油中的擠壓劑不當(dāng)?shù)仍蛞鸬模瑫?huì)在共軛面上產(chǎn)生腐蝕斑點(diǎn)的損傷特征。

3.2 齒面點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕是屬于疲勞磨損的一種，從圖2可知齒輪在運(yùn)動(dòng)過程中不僅齒輪接觸表受到壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力的作用，而且在齒輪的接觸表面受到剪切力的作用。在嚙合過程中，主動(dòng)輪齒面上的嚙合點(diǎn)由齒根向齒頂移動(dòng)，速度逐漸升高，而被動(dòng)輪上的齒面上的嚙合點(diǎn)則由齒頂向齒根移動(dòng)，速度逐漸降低。主動(dòng)輪齒面動(dòng)輪齒面之間的相對(duì)滑動(dòng)速度在節(jié)點(diǎn)處為零。于是在主動(dòng)齒輪齒面的滑動(dòng)方向始終遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)，而被動(dòng)齒輪面上滑動(dòng)方向則始終向著節(jié)點(diǎn)，這樣，兩個(gè)齒輪的齒頂部分各自的滾動(dòng)方向與滑動(dòng)方向一致，表面受壓應(yīng)力作用;而兩齒輪的齒根部分各自的滾動(dòng)方向與滑動(dòng)方向相反，表面均受到拉應(yīng)力的作用。在上述兩種應(yīng)力作用下，就會(huì)導(dǎo)致齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的剪應(yīng)力。當(dāng)這種剪應(yīng)力超過了齒輪材料的剪切疲勞極限，或者說齒面上脈動(dòng)循環(huán)變化的接觸應(yīng)力超過齒面的接觸疲勞極限時(shí)，齒面將會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，最終使齒面出現(xiàn)小塊金屬剝落，在齒面上形成小坑，此種磨損就稱為點(diǎn)蝕［7］。

3.3 齒面剝落齒輪表面局部剝落是—種偶發(fā)性疲勞破壞，常出現(xiàn)在高硬度鋼或表面淬硬鋼，它是由齒輪表面或表面下的缺陷所引起的，或由熱處理所造成的過高內(nèi)應(yīng)力所引起。剝落的特征是，大的顆粒或碎屑從齒輪面上通常沿著頂邊或兩端剝落或成片剝落下來，剝落坑較大而較深，且其碎片比點(diǎn)蝕坑光滑。剝落與點(diǎn)蝕的差別主要是程度上的不同，小的點(diǎn)蝕坑因它們之間的材料發(fā)生破壞而連結(jié)起來就形成剝落，而剝落還可能由于內(nèi)應(yīng)力過高而經(jīng)過較少的循環(huán)次數(shù)后發(fā)生。

3.4 齒面膠合和劃痕膠合是指由于金屬與金屬相接觸使焊合在一起的微小接觸顆粒由于齒輪的運(yùn)動(dòng)而被撕開，從而造成輪齒表面上金屬迅速脫落。膠合表面的特征是沿滑動(dòng)方向形成撕痕或刮痕和溝槽。有時(shí)，齒輪表面由于齒輪表面粗糙或異物通過嚙合區(qū)引起配對(duì)齒廓上的局部屈服，也會(huì)因“犁溝”作用而出現(xiàn)類似的溝槽。如果齒輪的潤(rùn)滑條件不良或載荷過大，兩個(gè)嚙合的齒面在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)油膜破裂，在摩擦和表面壓力的作用下產(chǎn)生高溫，使處于接觸區(qū)內(nèi)的金屬出現(xiàn)局部熔焊，并且在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕和膠合。膠合一開始可能是局部的，如果引起膠合的條件未排除，則膠合會(huì)逐漸擴(kuò)展。一般來說，當(dāng)新齒輪未經(jīng)跑合時(shí)，常常會(huì)在某一局部產(chǎn)生齒面擦傷現(xiàn)象。另一方面，潤(rùn)滑油粘度過低，運(yùn)行溫度過高，齒面上單位面積載荷過大，相對(duì)滑動(dòng)速度過高，以及接觸面積過小，也均會(huì)使油膜易于破裂而造成齒面劃痕。

3.5 齒根疲勞裂紋和斷齒齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒面在交變的接觸應(yīng)力作用下，齒面接觸應(yīng)力超出材料的接觸疲勞極限，在載荷的多次重復(fù)作用下，齒面表層就會(huì)產(chǎn)生細(xì)致的疲勞裂紋，裂紋蔓延擴(kuò)展，在齒面上出現(xiàn)局部材料脫落，形成麻點(diǎn)的失效形式，特別是在齒面硬度低于350HBS的閉式軟齒面齒輪，更表現(xiàn)為主要的失效形式。

齒輪承受載荷，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用。當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過齒輪材料的彎曲疲勞極限時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，當(dāng)剩余部分無法承受外載荷時(shí)就會(huì)斷齒。根據(jù)產(chǎn)生的原因，可將斷裂分為:疲勞折斷、磨損折斷、過載折斷等，其中疲勞折斷最為常見，它是由于承受超過材料疲勞極限的反復(fù)彎曲應(yīng)力而發(fā)生的。通常，疲勞折斷首先沿受力側(cè)齒根角內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，此后逐漸沿齒根或向斜上方發(fā)展而致折斷。有的熱加工裂紋和磨削裂紋也會(huì)成為疲勞折斷的起因。

3.6 齒面塑性變形塑性變形屬于輪齒永久變形這一大類的失效形式，它是由于在過大的應(yīng)力作用下，輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒體塑性流動(dòng)所形成的。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下，硬度高的齒輪上也會(huì)出現(xiàn)塑性變形。塑性變形可分為滾壓塑變和錘擊塑變。滾壓塑變是由于嚙合輪齒的相互滾壓與滑動(dòng)而引起的材料塑性流動(dòng)所形成的。錘擊塑變則是伴有過大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形。

4 齒輪失效誘因

由于制造齒輪的材質(zhì)各異，工作工況及環(huán)境條件不同，尤其在野外工作的開式齒輪，產(chǎn)生上述輪齒主要失效形式的誘因往往多種多樣，但主要有以下兩點(diǎn):

1)制造誤差 齒輪制造時(shí)造成的主要異常有:偏心、齒距偏差和齒形誤差等。

所謂偏心，是指齒輪(一般為旋轉(zhuǎn)體)的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合。齒距偏差是指齒輪的實(shí)際齒距與公稱齒距之差;而齒形誤差是指漸開線齒廓有誤差。

2)裝配不良 齒輪裝配不當(dāng)，會(huì)造成齒輪的工作性能惡化。例如，在齒寬方向只有一端接觸，或者齒輪的直線性偏差等，使齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，不能平穩(wěn)地傳遞動(dòng)力。這種情況使齒的局部增加多余的載荷，有可能造成斷齒，此現(xiàn)象稱為“一端接觸”。齒輪軸裝配后不平行，或者齒輪和軸裝配不正等，也會(huì)造成這種“一端接觸”現(xiàn)象。

5 總結(jié)

通過齒輪受力分析發(fā)現(xiàn)，齒輪的失效形式雖然多種多樣，但在實(shí)際工作應(yīng)具體分析齒輪的各種失效模式和可能的誘發(fā)因素。因?yàn)樵邶X輪的失效過程中，失效模式可能會(huì)有多種，同時(shí)齒輪失效的誘因也可能多種。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況分析，才能在工作中作出正確的選擇，這對(duì)齒輪維修保養(yǎng)程序建立也是有意義的。

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