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        齒輪失效的因素及影響分析

        2012-04-12 10:56:12強(qiáng)
        時(shí)代農(nóng)機(jī) 2012年11期
        關(guān)鍵詞:工藝性能輪齒齒面

        高 強(qiáng)

        (重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 408000)

        在機(jī)械工程中,齒輪傳動(dòng)應(yīng)用甚為廣泛,齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中一種重要的傳動(dòng)方式,并且往往處于極為重要的部位,因此齒輪的損傷和失效倍受人們的關(guān)注。

        1 結(jié)構(gòu)特性及工作狀況

        齒輪傳動(dòng)具有傳遞動(dòng)力大、效率高,使用壽命比較長(zhǎng),工作平穩(wěn),能保證恒定的傳動(dòng)比,能傳遞成任意夾角的兩軸見得運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)適用范圍很廣、傳遞功率從很小到數(shù)萬千瓦;齒輪直徑從小于1 m m到10 m;傳動(dòng)比的范圍也很大。所以,齒輪傳動(dòng)得到廣泛的應(yīng)用。按齒輪傳動(dòng)的工作條件可以分為閉式齒輪傳動(dòng)、開式齒輪傳動(dòng)和半開式齒輪傳動(dòng)。閉式傳動(dòng)封閉在箱殼內(nèi)保證良好潤(rùn)滑。開式傳動(dòng)是外漏的,不能保證良好的潤(rùn)滑。

        齒輪工作條件很復(fù)雜。在不同的工作條件下使用的齒輪造成的特征是不同的。根據(jù)齒輪的工作特點(diǎn),在傳遞功率和運(yùn)動(dòng)過程中、齒輪在力的作用下、在齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,齒面產(chǎn)生接觸應(yīng)力,齒面間相對(duì)滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生磨損。有時(shí)齒間存在間隙,在齒合過程中還會(huì)產(chǎn)生沖擊,齒輪的主要失效特征是由于彎曲力矩作用而造成齒的變形和折斷,由于接觸應(yīng)力作用而造成的表面疲勞剝落和由于摩擦作用而造成的磨損,由于齒輪工作時(shí)所受載荷和轉(zhuǎn)速不同,對(duì)于不同材料會(huì)造成不同的失效形式。

        2 齒輪的失效形式

        (1)齒面磨損。齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí),兩漸開線齒廓之間存在相對(duì)滑動(dòng),在載荷作用下,齒面間的灰塵,硬屑粒會(huì)引起齒面磨損。嚴(yán)重的磨損將使齒面漸開線齒形失真,齒側(cè)間隙增大,從而產(chǎn)生沖擊和噪音,甚至發(fā)生齒輪折斷。在開式傳動(dòng)中,特別在多灰塵場(chǎng)合,齒面磨損是輪齒失效的主要形式。

        (2)輪齒折斷。最常見的是彎曲疲勞折斷、過載折斷。輪齒受力后,在齒根部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大,且在齒根過渡圓角處有應(yīng)力集中。如果輪齒的交變應(yīng)力超過了材料的疲勞極限,在齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著裂紋不斷擴(kuò)展。

        (3)齒面點(diǎn)蝕。齒輪傳動(dòng)過程中,齒輪接觸面上各點(diǎn)的接觸應(yīng)力呈脈動(dòng)循環(huán)變化,經(jīng)過一段時(shí)間后,會(huì)由于接觸面上金屬的疲勞而形成細(xì)小的疲勞裂紋,裂紋的擴(kuò)展造成金屬剝落,形成點(diǎn)蝕。

        (4)齒面嚙合。輪齒的嚙合是由于齒面上不平的峰谷在接觸時(shí)產(chǎn)生局部高壓,使其熔焊在一起,而后隨著齒面上的金屬被大量撕脫,工作節(jié)線明顯暴露出來,正常齒廓被破壞,輪齒就失效了。

        (5)齒面塑形變形。塑性變形失效,是指在重載荷作用下表面會(huì)屈服所造成的表面變形。它又可以進(jìn)一步分為壓塌和飛邊變形、波紋變形和溝條變形。

        3 其他因素對(duì)失效的影響

        (1)材料對(duì)齒輪的失效影響。齒輪的齒面應(yīng)具有較高的耐磨損、抗點(diǎn)蝕、抗嚙合及抗塑性變形的能力,而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此,對(duì)輪齒材料性能的基本要求為:齒面要硬、齒芯要韌。①鍛鋼。鋼材的韌性好,耐沖擊,還可以通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度,故最適應(yīng)于用來制造齒輪。除尺寸過大(d a>400~600 m m)或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外,一般都用鍛鋼制造齒輪,常用的是含碳量在0.15%~0.6%的碳鋼或合金鋼。②鑄鋼。鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均較好,但應(yīng)經(jīng)退火及正火處理,必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。③鑄鐵。灰鑄鐵性質(zhì)較脆,抗沖擊及耐磨性都較差,但抗嚙合及抗點(diǎn)蝕的能力較好?;诣T鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)、速度較低、功率不大的場(chǎng)合。④非金屬材料。對(duì)高速輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng),為了降低噪聲,常用非金屬材料(如夾布膠木、尼龍等)做小齒輪,大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點(diǎn)蝕的能力,齒面的硬度應(yīng)為250~350 H B S。

        (2)潤(rùn)滑油在不同環(huán)境下對(duì)齒輪失效的影響。①溫度。溫度下降時(shí),潤(rùn)滑油會(huì)變稠。溫度上升時(shí),則會(huì)變稀。因此在低溫條件下需要低粘度的潤(rùn)滑油,而在高溫條件下則需要厚重的油以防止金屬與金屬之間的干摩擦。②速度。滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快,齒輪間擠進(jìn)潤(rùn)滑劑的時(shí)間就越少。同時(shí)在高速運(yùn)作下潤(rùn)滑油更易結(jié)塊變厚。因此,低速用高粘度(稠油),高速用低粘度油(稀油)。③負(fù)荷(壓力)。高粘度油比稀油更能抵御重負(fù)并防止金屬與金屬之間的碰撞。因此,輕負(fù)荷需要低粘度的潤(rùn)滑油,高負(fù)荷需要高粘度的潤(rùn)滑油。④擊負(fù)荷。例如由引擎發(fā)出的律動(dòng)力,這就需要比較厚重的油以防油膜的瞬間碎裂而產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑,因?yàn)橹挥袠O少的潤(rùn)滑油可留下。在這種情況下,需要一種含有極壓添加劑(EP)的潤(rùn)滑油。

        (3)設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤對(duì)齒輪失效的影響。齒輪裝置的設(shè)計(jì),技術(shù)上要求較高,并且要有一定的經(jīng)驗(yàn)。①載荷。對(duì)作用在輪齒上載荷估計(jì)不足輪齒上所受的載荷一般可分三部分,即名義載荷,可視為齒輪傳遞的名義功率。②剛性。外部動(dòng)載荷它取決于原動(dòng)機(jī)、從動(dòng)機(jī)的特性、軸和聯(lián)軸器系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度能及運(yùn)行狀態(tài)。③內(nèi)部動(dòng)載荷。這是由于齒輪本身制造誤差、輪齒剛度等因素產(chǎn)生的載荷。通常精確確定輪齒上的載荷是非常困難的較好的辦法是進(jìn)行實(shí)測(cè)或?qū)鲃?dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。但是,這種復(fù)雜的方法不是處處可以采用的,因此在齒輪設(shè)計(jì)中,對(duì)載荷估計(jì)不足是常見的。④結(jié)構(gòu)。齒輪裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理例如軸承安裝方式或安裝位置不合適,軸或齒輪箱的剛度太差,密封不可靠等,都可能使輪齒失效。⑤材料。材料選用不合適齒輪材料種類、牌號(hào)應(yīng)根據(jù)齒輪的具體使用條件來選定;特別是大小齒輪不同材料的匹配,更值得設(shè)計(jì)者注意,否則容易引起齒輪失效。⑥潤(rùn)滑系統(tǒng)。潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)有誤齒輪裝置的潤(rùn)滑方法、潤(rùn)滑油性能和油量等如果處理不好,可能使齒面產(chǎn)生嚙合、過熱和過度磨損等失效。

        4 齒輪材料的合理選擇

        (1)滿足材料的機(jī)械性能。材料的機(jī)械性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性等,反映材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力,齒根部有最大彎曲應(yīng)力,可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng),會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面嚙合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度,齒面要有足夠的硬度和耐磨性,芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。

        (2)滿足材料的工藝性能。材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工,因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來說,碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好,其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強(qiáng)度不夠高,淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高,但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來改善材料的工藝性能。

        (3)材料的經(jīng)濟(jì)性要求。所謂經(jīng)濟(jì)性是指最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足使用性能的前提下,選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。

        [1]陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2007.

        [2]程曉宇.工程材料與熱加工技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

        [3]蘭建設(shè).機(jī)械制造工藝[M].北京:機(jī)械工藝出版社,2011.

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