0 引言

齒輪設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜性幾乎超過(guò)任何其他常見(jiàn)的機(jī)械零件，受疲勞載荷的齒類似于彎曲的懸臂梁，接觸面的循環(huán)載荷類似于滾動(dòng)軸承的變化負(fù)載，潤(rùn)滑對(duì)于同時(shí)涉及表面滑動(dòng)和滾動(dòng)都有很高的要求，復(fù)雜性是使人難以置信的，使得齒輪的故障分析更加困難。

1 工廠常見(jiàn)齒輪類型

齒輪運(yùn)行時(shí)齒的接觸包含滾動(dòng)和滑動(dòng)兩個(gè)部分，我們看到的齒輪大部分都是漸開(kāi)線輪廓，當(dāng)兩齒相嚙合時(shí)在齒輪節(jié)圓上是純滾動(dòng)，而進(jìn)入和離開(kāi)節(jié)圓則出現(xiàn)滑動(dòng)。漸開(kāi)線是將一個(gè)圓軸固定在一個(gè)平面上，軸上纏線，拉緊一個(gè)線頭，讓該線繞圓軸運(yùn)動(dòng)且始終與圓軸相切，那么線上任何一個(gè)定點(diǎn)在該平面上的軌跡就是漸開(kāi)線，這為我們提供了典型的輪齒形，還有其他形狀的齒廓在使用，但沒(méi)有漸開(kāi)線齒形在一般工業(yè)中使用那樣普遍。

(1)直齒輪（正齒輪）：這是一種最?？吹降凝X輪，每次直齒輪兩齒相嚙合時(shí)，動(dòng)力脈沖向外傳遞一次，功率脈沖是離散的，嚙合時(shí)噪聲較大，但加工成本相對(duì)低。

(2)斜齒輪：相對(duì)于直齒輪較為安靜和平滑，脈沖振蕩也有所減少，但是由于是斜齒，所以它的效率有所降低，另外還存在著軸向負(fù)載，帶來(lái)了附加需要解決的問(wèn)題。

(3)人字形齒輪：為了消除斜齒輪的軸向負(fù)載，出現(xiàn)了人字齒輪，齒廓形狀左右對(duì)稱分布，以消除軸向負(fù)載，運(yùn)行時(shí)自動(dòng)對(duì)中、重合度高、傳遞平穩(wěn)。

(4)雙螺旋齒輪：人字形齒輪優(yōu)化出現(xiàn)了雙螺旋齒輪，雙螺旋齒輪性能優(yōu)良，高速、重負(fù)荷、結(jié)構(gòu)緊湊，但加工成本相對(duì)要高。

除少部分的斜齒輪傳動(dòng)是交叉軸線傳動(dòng)，其他三種齒輪的軸線是平行傳動(dòng)，下面的兩種齒輪傳動(dòng)軸線是交叉的。

(5)傘齒輪：典型的直角傳動(dòng)，類似于直齒輪，兩齒相嚙合時(shí)，動(dòng)力脈沖向外傳遞一次，嚙合噪聲高。

(6)螺旋傘齒輪：類似于斜齒輪，傳動(dòng)較為安靜平滑，脈沖振蕩也有減少，但是由于是斜齒，所以它的效率有所降低，存在著軸向力。

另外還有準(zhǔn)雙曲面齒輪、蝸輪等，蝸輪是螺旋傘齒輪的變種，中心線不相交，蝸輪嚙合時(shí)含有純滑動(dòng)，有別于其他齒輪的設(shè)計(jì)。

2 輪齒的嚙合

齒的嚙合分三個(gè)級(jí)段:第一級(jí)段從動(dòng)齒的齒頂沿主動(dòng)輪齒向下滑動(dòng)，與其同時(shí)接觸點(diǎn)向上滾動(dòng)，這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)低的相對(duì)速度，并因經(jīng)常沒(méi)有足夠的相對(duì)速度，而不能形成適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑膜，齒面接觸過(guò)程中，當(dāng)接觸點(diǎn)到達(dá)節(jié)圓線時(shí)，齒的嚙合變成向上方的純滾動(dòng)，由于相對(duì)速度的增加，產(chǎn)生一層較厚的潤(rùn)滑膜，隨著嚙合的繼續(xù)進(jìn)行，滾動(dòng)和滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在相同的方向上，并產(chǎn)生大量的潤(rùn)滑膜（見(jiàn)圖1）。

圖1 輪齒的嚙合

此外當(dāng)接觸點(diǎn)沿驅(qū)動(dòng)齒面向下滑動(dòng)，張力區(qū)域易受到疲勞破壞，然而同時(shí)，嚙合接觸區(qū)域是壓縮的狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生疲勞損傷。相反，在循環(huán)周期的后期接觸階段，角色顛倒，從動(dòng)齒輪的齒根遭受到疲勞損傷。這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)和疲勞應(yīng)力，即正和負(fù)的滑動(dòng)應(yīng)力，解釋了為什么會(huì)發(fā)生損壞，如點(diǎn)蝕和表面的磨損是最經(jīng)常發(fā)生在齒的下半部，輪齒嚙合不僅受到循環(huán)觸壓疲勞模式的損傷，還承受著懸臂彎曲載荷的作用。

3 載荷和應(yīng)力波動(dòng)

理論上講由驅(qū)動(dòng)齒輪傳輸?shù)墓β蕬?yīng)在一定程度上是一個(gè)常數(shù)，齒上都加載相同的負(fù)荷。但是，在實(shí)際齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，動(dòng)力都發(fā)生波動(dòng)，這些波動(dòng)來(lái)源聯(lián)軸器不對(duì)中、偏移，齒輪不對(duì)中、偏差，輸入功率的變化，大、小齒輪的偏心，齒輪加工制造誤差，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和系統(tǒng)共振等。在這些原因的共同作用下，齒上的負(fù)載是曲線，而不是一個(gè)理想的平坦直線，實(shí)際上齒的峰值負(fù)載幾乎接近平均負(fù)荷的兩倍(如圖2a所示)，這些變化是很重要的，峰值負(fù)載導(dǎo)致破裂和循環(huán)觸壓疲勞損壞。特別值得關(guān)注的是在工廠里?？吹竭@種情況，一些損壞(如磨損或磨光)發(fā)生在齒輪“非接觸式”一側(cè)，這可能是安裝未對(duì)中、偏移的結(jié)果，實(shí)際上它也表明齒側(cè)已經(jīng)存在反向負(fù)荷，齒上有巨大的應(yīng)力（如圖2b所示），反向負(fù)荷使峰值應(yīng)力超過(guò)兩倍的平均應(yīng)力，嚴(yán)重?fù)p害齒輪和整個(gè)齒輪組。

圖2 應(yīng)力的波動(dòng)

4 齒輪材料和硬度

大多數(shù)齒輪是金屬制造的，但聚合物已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，金屬齒輪大部分是鋼，最大工業(yè)用青銅齒輪的應(yīng)用是蝸桿蝸輪副，淬硬的鋼蝸桿配對(duì)青銅蝸輪得到廣泛應(yīng)用。一般齒輪的齒分兩種:

(1)整體硬化齒：整個(gè)輪齒經(jīng)過(guò)硬化處理、熱處理，齒輪的整個(gè)齒的硬度幾乎是一致的，鋼不能全部硬化，整體硬化齒都比較軟，所有硬度幾乎都小于40HRC。

(2)表層硬化齒：有一個(gè)非常硬且耐磨的外表層，具有更柔軟的核心，表面硬度常在50HRC以上，這種設(shè)計(jì)是使齒輪經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，表層基本上無(wú)磨損。表層硬化齒輪體積小而輕，使用壽命長(zhǎng)，且價(jià)格低，多數(shù)工業(yè)中的表層硬化齒輪常用在封閉式減速器中。表層硬化齒輪在相同的尺寸情況下提供更多的動(dòng)力，能在幾乎所有的移動(dòng)式設(shè)備上使用，要求更高的制造精度，抗表面損傷和抗沖擊載荷的容忍度差。整體硬化齒輪常用于大型開(kāi)放式齒輪組和減速機(jī)中，用在精度要求不高的場(chǎng)合，允許更寬容的震動(dòng)和沖擊載荷，在出現(xiàn)故障前能夠耐受大量的磨損。較整體硬化齒輪而言，表層硬化齒輪能較好地保持其齒形原有的幾何形狀，在通常情況下齒輪副運(yùn)行更安靜和更有效。

5 齒面接觸模式

良好的齒面接觸非常重要，接觸模式變差時(shí)，齒面上應(yīng)力會(huì)發(fā)生很大的變化，齒面接觸模式可分為三種情況，圖3中X軸上的第一段顯示是假設(shè)兩齒面均勻地接觸，應(yīng)力是均勻分布在整個(gè)有效齒面上，圖3的第二段兩齒接觸的方式在齒端部減弱，為了和第一段所示的有相同驅(qū)動(dòng)力，在左側(cè)的最大接觸應(yīng)力是平均應(yīng)力的兩倍，第三段中接觸在齒面中部結(jié)束，由此峰值應(yīng)該至少四倍于理想齒面接觸的應(yīng)力。

在分析輪齒接觸模式中，有兩點(diǎn)應(yīng)該進(jìn)一步注意。首先，由于彈性變形的存在，通常接觸應(yīng)力看起來(lái)更嚴(yán)重，有時(shí)區(qū)別是哪一種接觸模式存在難度，要根據(jù)實(shí)際情況判斷出是哪一種接觸模式尤其重要。第二，因?yàn)檩S上的作用力，重型減速機(jī)的外殼經(jīng)常發(fā)生變形、撓曲、變位，停機(jī)期間檢查齒面接觸模式時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)橥C(jī)時(shí)變形的力是不存在，重型減速機(jī)的齒面檢查，應(yīng)該非常小心地檢查齒面，以確定實(shí)際運(yùn)行的齒面接觸模式。

圖3 嚙合模式的影響

6 齒側(cè)間隙

“有效嚙合齒之間的間隙”，測(cè)量一組齒輪之間的齒隙相當(dāng)簡(jiǎn)單，一個(gè)齒輪被鎖定在適當(dāng)位置，以使它不能移動(dòng)，另一方的齒輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，用千分表或塞尺等測(cè)量工具，測(cè)量?jī)蓚€(gè)嚙合齒之間的間隙。表層硬化齒輪的整個(gè)生命周期內(nèi)，齒隙變化不大，因?yàn)橥ǔＤp量很少。

如果齒輪總是在一個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)，但整體硬化齒輪間隙是不斷增加的，這個(gè)增加一般不是很重要，因?yàn)樨?fù)載是連續(xù)的，這個(gè)增加是對(duì)齒磨損的度量。對(duì)換向齒輪或回動(dòng)裝置的齒輪組來(lái)說(shuō)，磨損和增加的側(cè)隙可以成為沖擊載荷的來(lái)源，是必須要校核的。

7 齒輪惡化機(jī)理

齒輪故障可以歸類為磨損、表面疲勞損壞、塑性流動(dòng)和變形、破損和相關(guān)聯(lián)的齒輪故障。

(1)磨損涵蓋范圍很大，可能是持續(xù)多年的輕微齒輪磨光或拋光，也可能是磨料磨損或膠粘磨損，它能使齒輪在幾分鐘內(nèi)基本上無(wú)用。對(duì)于整體硬化齒輪，大多數(shù)磨損是可預(yù)測(cè)的，可以被監(jiān)控，對(duì)于表層硬化齒輪，任何大量的拋光、磨光通常是故障的前兆。

(2)表面疲勞包括點(diǎn)蝕和表皮剝落，從實(shí)用角度來(lái)看，表層硬化齒輪的表面惡化是令人不安和煩惱的。

(3)塑性變形對(duì)于表層硬化齒輪包括波紋、振紋和齒輪表面相對(duì)較輕微的變形，整體硬化齒輪面經(jīng)常遭受軋制和錘擊，留下嚴(yán)重的表面受損。

(4)斷裂，表層硬化齒輪有時(shí)發(fā)生齒面破碎，是由于接觸載荷是如此之大以至于齒面底層結(jié)構(gòu)物理變形，硬化層破裂、斷裂。

8 整體硬化齒輪劣化機(jī)理

8.1 點(diǎn)狀腐蝕和磨損

齒輪惡化可以是非?；煜蛷?fù)雜的，整體硬化齒輪常常不是很硬，不很精確，而且往往點(diǎn)蝕和磨損是相對(duì)可預(yù)見(jiàn)的方式。對(duì)于表層硬化齒輪，任何引起關(guān)注的表面缺陷和點(diǎn)蝕，通常預(yù)示著一個(gè)即將發(fā)生的災(zāi)難。整體硬化齒輪和表面滲透硬化齒輪區(qū)別很大，有時(shí)對(duì)整體硬化齒輪磨損的工作表現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生許多誤解，導(dǎo)致更多不必要的齒輪更換而引起浪費(fèi)和生產(chǎn)成本增加。整體硬化齒輪劣化包括點(diǎn)蝕、粘著磨損、滾扎、錘擊等，但大多數(shù)磨損始于點(diǎn)蝕、組合負(fù)載、材料缺陷、潤(rùn)滑膜破裂等，這些通常是不可避免的。

8.2 修正性點(diǎn)蝕

兩齒輪嚙合在一起，齒頂?shù)母唿c(diǎn)互相摩擦，赫茲循環(huán)觸壓疲勞導(dǎo)致小的剝落，隨著時(shí)間的流逝，越來(lái)越多的齒表面相互接觸，磨損模式變得越來(lái)越大，這些坑點(diǎn)相對(duì)較小，一般不超過(guò)直徑1.5 mm，它們支持維護(hù)著潤(rùn)滑膜，修正性點(diǎn)蝕開(kāi)始很迅速，但隨著接觸面積增加，磨損率會(huì)降低，最終達(dá)到一個(gè)低而連續(xù)的水平，這與磨損和耗損有著實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。

8.3 正常齒根磨損

發(fā)生在齒根處，齒受到一個(gè)長(zhǎng)期的拉伸疲勞應(yīng)力，它通常顯示在齒根部，惡化速度非常緩慢，容易監(jiān)控。

8.4 破壞性點(diǎn)蝕

點(diǎn)坑大、不規(guī)則，不支持和維護(hù)潤(rùn)滑膜，它們開(kāi)始于齒根，但是迅速進(jìn)入齒頂，引起齒的磨損和運(yùn)行噪聲。在齒輪運(yùn)行的開(kāi)始階段，評(píng)估整體硬化齒的磨損比較困難，當(dāng)齒面開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)蝕時(shí)，最初很難區(qū)分出是修正性，還是破壞性磨損。圖4所示是一個(gè)典型的點(diǎn)蝕過(guò)程，在點(diǎn)蝕前期一段時(shí)間兩線基本重合，難以區(qū)分是修正性點(diǎn)蝕或是破壞性磨損，接近中期時(shí)曲線開(kāi)始分離，后期發(fā)生本質(zhì)變化。有時(shí)監(jiān)測(cè)磨損也很困難，需要一些專用儀器和設(shè)備的幫助，進(jìn)行不間斷的監(jiān)控、測(cè)量。齒的腐蝕將加速點(diǎn)蝕進(jìn)成，減少齒輪的使用壽命，尤其是硬度相對(duì)低的整體硬化齒輪 (硬度小于180HBN)，長(zhǎng)期的大量研究表明，大氣腐蝕引起低硬度（40HRC）的高應(yīng)力材料斷裂，經(jīng)驗(yàn)表明齒輪存儲(chǔ)總是應(yīng)該免受腐蝕。另外，對(duì)表層硬化齒輪而言，可見(jiàn)的銹斑會(huì)減少疲勞壽命，嚴(yán)重的生銹可能已導(dǎo)致表層的微裂縫。

圖4 點(diǎn)蝕過(guò)程

9 塑性變形

常見(jiàn)整體硬化齒輪的退化機(jī)理，滾扎和敲擊都涉及到齒的塑性變形，在這兩種情況下足夠大的負(fù)載導(dǎo)致齒的實(shí)際變形，滾扎包括接觸壓力大到足以在齒頂部或齒側(cè)的金屬發(fā)生移動(dòng)，出現(xiàn)劇烈的脊?fàn)铨X頂，或在側(cè)齒出現(xiàn)蘑菇狀或輻射環(huán)狀。敲擊是嚙合的齒相互錘擊，產(chǎn)生齒廓變形，在這兩種情況下，是潤(rùn)滑不夠充分，或是負(fù)載已經(jīng)過(guò)度，如果再持續(xù)運(yùn)行，齒輪將逐步帶來(lái)噪聲和更加不平穩(wěn)。

10 粘著磨損

常用來(lái)形容粘著磨損，如：劃痕，膠合，擦傷，摩擦燒傷等是最經(jīng)常聽(tīng)到的，粘著磨損涉及到損壞的潤(rùn)滑膜和瞬時(shí)焊接的齒，其次是崩裂一部分的齒。最?？吹降氖前l(fā)生在齒頂和齒根，因?yàn)檫@些地方是最難形成一層有效的潤(rùn)滑膜，圖5a表示齒的磨損和徑向擦傷，接觸的齒潤(rùn)滑不良清晰可見(jiàn)，當(dāng)接觸表面接近節(jié)圓線時(shí)磨損降低，在節(jié)線上是純滾動(dòng)，上面有一層有效的潤(rùn)滑膜以降低磨損率，如果接觸應(yīng)力一直較小，那么齒面出現(xiàn)磨光、拋光、劃痕、擦傷將不會(huì)發(fā)生，金屬的去除率會(huì)大幅下降，這是滾動(dòng)和滑動(dòng)混合作用的效果。

圖5 粘著磨損

11 表層硬化齒輪的退化機(jī)理

11.1 微型點(diǎn)蝕

發(fā)生在表面負(fù)載很高，并且出現(xiàn)輕微形似噴砂的齒形表面，有時(shí)被稱為“結(jié)霜、無(wú)光澤面”，在某些情況下微點(diǎn)蝕沒(méi)有問(wèn)題，但在另一些地方則是危險(xiǎn)的警告信號(hào)。在整個(gè)齒面上顯現(xiàn)對(duì)角線模式、清晰可見(jiàn)的微型點(diǎn)狀，或是一系列非常細(xì)小的坑所組成的微點(diǎn)蝕，基本上能反應(yīng)出以下幾種狀況：

(1)機(jī)加工表面發(fā)生輕微的不規(guī)則形狀，或輕微誤差。

(2)沒(méi)什么可擔(dān)心的無(wú)害微點(diǎn)蝕。

(3)表明齒輪載荷很重。

(4)表明安裝的對(duì)中性很好，沒(méi)有偏差。

圖6a表示一個(gè)32 mm寬的離心式空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒的左邊有微點(diǎn)蝕，圖6b是電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，微點(diǎn)蝕顯示在齒的右邊。在這兩個(gè)例子中，顯示點(diǎn)蝕是相對(duì)明顯集中在齒的一邊，這表明是嚴(yán)重安裝對(duì)中的問(wèn)題，安裝精度沒(méi)有得到要求，有偏差，在圖6b中，有一個(gè)坑在最低的齒上，那個(gè)不是點(diǎn)蝕。表層硬化齒輪的設(shè)計(jì)要求之一是必須很好地安裝對(duì)中、對(duì)齊，安裝精度要高，齒的彈性變形糾正很小偏差，齒的一側(cè)發(fā)生微點(diǎn)蝕是一個(gè)警告信號(hào)，上面兩種情況下都有非常高的局部負(fù)載和過(guò)度的錯(cuò)位和安裝誤差。

圖6 輪齒的點(diǎn)蝕

11.2 振紋

表層硬化齒輪的表面振紋（紋波）和微點(diǎn)蝕歸納在相同的基本范疇，它表明齒輪負(fù)荷很重，表面有少許的塑性變形。(1)如果振紋均勻貫穿出現(xiàn)在整個(gè)齒上，這沒(méi)有什么可擔(dān)心的。(2)如果振紋是出現(xiàn)在齒的一側(cè)，則是一個(gè)信號(hào)，表明齒輪應(yīng)該需要嚴(yán)密監(jiān)視和關(guān)注，這是一個(gè)不言而喻的跡象，即有安裝偏差，警示在未來(lái)可能發(fā)生損壞，同時(shí)要求定期檢查以確保紋波沒(méi)有進(jìn)一步惡化。

11.3 點(diǎn)蝕

表層硬化齒輪的點(diǎn)蝕涉及齒的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)表層硬度值達(dá)到55HRC，其抗張強(qiáng)度大約是1.9 GPa，如果核心硬度是35HRC，其抗拉強(qiáng)度是不到2/3的表層硬度，表面損壞的發(fā)生是因?yàn)楹掌澠?、滑移，而齒斷裂則是懸臂彎曲載荷作用的結(jié)果。然而，可能我們看到99%低負(fù)載或高頻循環(huán)疲勞的表層硬化齒輪故障，都帶有點(diǎn)蝕的問(wèn)題，在分析表層硬化齒輪的點(diǎn)蝕時(shí)，需要仔細(xì)察看點(diǎn)坑的形狀，橢圓形的坑，它們的長(zhǎng)軸沿齒長(zhǎng)度方向，具有相對(duì)較深、鋒利的底部，表示存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問(wèn)題。另一方面，淺的、圓形和帶有圓形底部的坑，這種幾乎不會(huì)有什么問(wèn)題。檢查點(diǎn)蝕有時(shí)需要借助于放大鏡、電燈等工具，細(xì)長(zhǎng)、連接在一起且點(diǎn)坑帶有微弱的波紋跡象，是一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，如果齒上發(fā)生這樣情況，建議不要用在重要、關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)位置上。

11.4 剝離

齒牙大片的金屬剝離則表示齒輪的材料和制造存在問(wèn)題。如圖5b所示是大塊剝落，覆蓋約一半的有效齒面，事實(shí)上，在齒輪核心和表層有這么大面積的剝落，往往表示齒輪熱處理存在著問(wèn)題。

11.5 齒面塌陷

表層硬化齒輪的表層塌陷原因，是齒上的負(fù)載如此之大，致使較韌的核心發(fā)生塑性變形，但較硬的表層延展性差，沒(méi)有韌性而破裂，并且其特征在于出現(xiàn)水平裂縫。

12 齒輪故障分析方法

進(jìn)行齒輪故障分析的目的是要了解為什么會(huì)發(fā)生，在什么情況下發(fā)生，以便找出相應(yīng)的解決措施，找出發(fā)生故障的原因至關(guān)重要，往往找出了原因也就找到了解決問(wèn)題的措施。齒輪故障分析是非常復(fù)雜的，它有不容易分開(kāi)的一系列機(jī)理所組成，如圖7故障分析樹(shù)所示，首先要進(jìn)行故障類型的分類，然后查看各種特征，也就是說(shuō)這張圖的最后兩層，影響齒輪的壽命和使用的特征因素是：

(1)負(fù)載、赫茲疲勞應(yīng)力、過(guò)度的懸臂負(fù)荷。

(2)負(fù)載的分配，齒或齒周圍負(fù)載的均勻度。

(3)溫度和潤(rùn)滑膜厚度，齒輪的工作溫度，潤(rùn)滑油規(guī)格。

(4)齒的幾何形狀和表面處理，實(shí)際的齒形、齒廓，加工制造狀況，齒輪存儲(chǔ)生銹等狀況。

圖7 齒輪故障分析

齒輪瞬時(shí)猝發(fā)性故障和非常低循環(huán)疲勞失效放在一組，即使齒輪強(qiáng)度很高，時(shí)常有外部事件發(fā)生而導(dǎo)致齒輪迅速失效，這些故障通常和其他同類材料脆性過(guò)載，有著相似的斷裂外表。圖7右側(cè)所示那些故障不是在短期內(nèi)發(fā)生的，表層硬化齒輪與整體硬化齒輪有所不同，但差異并不是實(shí)質(zhì)性的。

12.1 彎曲疲勞

彎曲疲勞裂紋表示齒輪在懸臂強(qiáng)度超載的情況下已運(yùn)行了一段時(shí)間，用戶應(yīng)分析問(wèn)題原因并找出解決措施。

12.1.1表層硬化及整體硬化齒輪

(1)齒輪是不是在回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)運(yùn)行，如果是，確定回轉(zhuǎn)時(shí)沖擊負(fù)載的類型，齒上有沒(méi)有磨損，確認(rèn)磨損量大小。

(2)疲勞裂紋是從哪里開(kāi)始的，若是在齒的中心位置則顯示出良好的對(duì)中。

(3)許多齒上有疲勞裂紋，表明受到非常高的過(guò)載，如只有一、兩個(gè)齒有疲勞裂紋，表示負(fù)載僅稍稍超出疲勞強(qiáng)度。這個(gè)問(wèn)題需要考慮時(shí)間因素，因?yàn)榈谝粋€(gè)疲勞裂紋開(kāi)始出現(xiàn)，齒輪被強(qiáng)制運(yùn)行一段時(shí)間后，可能引起許多疲勞裂紋出現(xiàn)在齒輪上。

(4)怎樣的齒接觸模式，在運(yùn)行中接觸模式是否發(fā)生變化，在無(wú)負(fù)載側(cè)的齒有沒(méi)有發(fā)生接觸，齒上是否有明顯的磨損。對(duì)于表層硬化齒來(lái)說(shuō)，可能難以看到磨損的變化，有必要緩慢旋轉(zhuǎn)齒輪，需有明亮的光線照在齒上以便觀察。對(duì)于整體硬化齒，一些輪齒的磨損量是可以預(yù)測(cè)的，但是長(zhǎng)期使用需要確定臨界磨損厚度和磨損量，輪齒磨損是否均勻，如果不是，它表示齒輪錯(cuò)位、不對(duì)中或加工有偏差。

(5)齒輪的材料是否符合規(guī)范，實(shí)際輪齒的硬度是不是達(dá)到要求。

12.1.2 表層硬化齒

(1)微點(diǎn)蝕是否存在，如果微點(diǎn)蝕是傾斜分布的，表明偏心負(fù)載或者是安裝錯(cuò)位。

(2)有沒(méi)有塑性變形，即沿齒頂部是否有薄的脊線。(3)如果裂紋起源于凹坑，則存在非常高的負(fù)荷。(4)規(guī)定的潤(rùn)滑劑類型，齒輪最初設(shè)計(jì)運(yùn)行負(fù)載的類型，負(fù)載隨時(shí)間如何變化，確認(rèn)負(fù)荷變化得到了充分的驗(yàn)證。

(5)齒輪任何時(shí)候生銹和腐蝕都大大降低疲勞強(qiáng)度。

12.2 表面疲勞

在表面負(fù)荷過(guò)大和潤(rùn)滑膜不充分時(shí)，赫茲循環(huán)疲勞剝落、點(diǎn)蝕和微點(diǎn)蝕隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生。

(1)剝落或微點(diǎn)蝕在什么地方開(kāi)始，它是出現(xiàn)在齒的中心，則表示良好的對(duì)中，或朝向遠(yuǎn)處的邊緣，則可能是發(fā)生偏移。

(2)查看在嚙合狀態(tài)的輪齒、齒廓形狀和運(yùn)行條件。

(3)正確的潤(rùn)滑油膜可以防止任何形式的點(diǎn)蝕，潤(rùn)滑劑的應(yīng)用情況、工作溫度，耐超高壓潤(rùn)滑油使用狀況，潤(rùn)滑時(shí)間的間隔是否合適。

(4)表面疲勞模式均勻性和一致性怎樣，如果是不一致的，說(shuō)明輪齒加工存在誤差。對(duì)于整體硬化齒，齒周圍的磨損是否均勻，如果不是，表示齒輪沒(méi)有很好的對(duì)中或沒(méi)有正確加工。對(duì)于表層硬化齒輪，一些輕微、均勻的微點(diǎn)蝕沒(méi)有問(wèn)題。但是，如果是偏斜的、漂移的，則表示存在潛在的危險(xiǎn)。一側(cè)上的齒偏心微坑，表示是異常高的表面應(yīng)力和齒輪對(duì)中、校準(zhǔn)的問(wèn)題。整體硬化齒輪點(diǎn)蝕的存在是異常高表面應(yīng)力作用的結(jié)果，需要加以關(guān)注。

(5)孤立的大塊金屬剝落或剝離，例如剝落直徑大于6 mm，通常意味著齒輪的材料或制造存在問(wèn)題，齒輪的生銹和腐蝕，都會(huì)降低抗表面疲勞強(qiáng)度。

12.3 長(zhǎng)期超負(fù)荷

這主要發(fā)生在整體硬化齒輪上，通常會(huì)導(dǎo)致緩慢的和可預(yù)見(jiàn)的磨損、重負(fù)載和潤(rùn)滑不良的結(jié)果。

(1)齒過(guò)度磨損、剝落、斷裂。

(2)齒輪損壞是否均勻。

(3)在整個(gè)齒上負(fù)荷是否均勻。

(4)是否有微點(diǎn)蝕或點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕發(fā)生在齒根，還是齒頂，還是兩者均有，點(diǎn)坑的面積大小。

13 故障實(shí)例及解決措施

13.1 輪齒剝離

圖8是三級(jí)減速器內(nèi)的表面硬化螺旋小齒輪，運(yùn)行約1年。

(1)表層硬化輪齒上有一塊大面積的剝落。

(2)潤(rùn)滑劑是廠商所指定的型號(hào)。

(3)測(cè)試表明除了圖中看到的還有另外兩塊金屬剝落，沒(méi)有其他損壞，也沒(méi)有可測(cè)量的對(duì)中錯(cuò)位。用戶無(wú)法避免這種類型的輪齒剝落，通常是材質(zhì)的問(wèn)題，材料存在缺陷、齒輪加工、制造的問(wèn)題，更換齒輪，建議進(jìn)行金相分析，以進(jìn)一步確定其物理原因。

13.2 輪齒斷裂

圖8a是一個(gè)低速大齒輪上掉下的一個(gè)齒，齒輪轉(zhuǎn)速是5 r/min，運(yùn)行6個(gè)月。

(1)齒有比較厚的表面滲透層，回火至硬度約52HRC。

(2)齒因疲勞而損壞，組織具有細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，故障是迅速發(fā)生的。

(3)該負(fù)荷是偏心的，裂紋是從齒右邊開(kāi)始，齒的左半邊是瞬時(shí)斷裂區(qū)域。接觸齒表面發(fā)現(xiàn)一些點(diǎn)蝕也集中在遠(yuǎn)離齒中心的右側(cè)。這是個(gè)典型的齒輪未對(duì)齊、未對(duì)中的問(wèn)題，表層淬硬齒輪中心不對(duì)稱的敏感性很強(qiáng)，修正錯(cuò)位，重新安裝齒輪，調(diào)整中心和水平，定期檢查。

圖8 輪齒斷裂

13.3 大型泵驅(qū)動(dòng)齒輪

圖8b所示是負(fù)載約4 500 kW，其輸出速度為410 r/min泵的齒輪，與之嚙合的是泵驅(qū)動(dòng)軸上兩個(gè)約2 300 kW，1 810 r/min電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪。這是個(gè)表層硬化齒，容易看到其特有的輪廓，運(yùn)行一年多時(shí)間，噪聲很大。斷裂面顯示齒輪向左側(cè)驅(qū)動(dòng)，但斷面標(biāo)志表示，裂紋擴(kuò)展是從左至右，相對(duì)著驅(qū)動(dòng)力，檢查齒表面，表明已經(jīng)有多次接觸到齒的無(wú)負(fù)載一邊。齒輪的齒上有一個(gè)扭轉(zhuǎn)共振，通過(guò)振動(dòng)分析確認(rèn)，當(dāng)齒輪運(yùn)行在固有頻率附近時(shí)，輪齒被敲擊，反轉(zhuǎn)的力量使齒表面產(chǎn)生張力造成的裂縫，然后傳播到硬度弱得多的核心部分。圖2b所示，在無(wú)負(fù)載側(cè)齒的接觸，其應(yīng)力將增加到兩倍以上的設(shè)計(jì)應(yīng)力。這種情況下，考慮到改變齒輪、軸等組件的固有頻率，成本是極其昂貴的，且改造時(shí)期長(zhǎng)，解決措施是更換減速器，檢測(cè)新的減速器與總裝置的本身振動(dòng)頻率以防共振，同時(shí)增加防振措施，在以后的設(shè)備維護(hù)中增加振動(dòng)檢查。

13.4 螺旋槳傳動(dòng)齒輪

圖8c所示是經(jīng)常使用的螺旋槳傳動(dòng)齒輪。

(1)在齒的左側(cè)，有塑性變形的接觸表面，

(2)在圖8c的中心，小而明顯的塑性變形齒頂部脊線。這表明是重負(fù)載且潤(rùn)滑不良的結(jié)果，須要檢查出額外負(fù)荷的來(lái)因，增加和改善潤(rùn)滑，縮短維護(hù)保養(yǎng)周期。

按照齒輪故障樹(shù)的思路，詳細(xì)檢查故障的齒輪，查看每一個(gè)癥狀，參考齒輪的材料、熱處理、潤(rùn)滑條件和工作狀況等，運(yùn)用上面講述的方式方法，齒輪會(huì)告訴你它們?yōu)槭裁磿?huì)失效。

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