劉興龍

摘要：工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展，而在此過(guò)程中各種工業(yè)機(jī)械的出現(xiàn)是促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的一個(gè)重要原因，在機(jī)械設(shè)備使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)齒輪故障及失效的問(wèn)題，如果不能及時(shí)解決將會(huì)影響工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。本文通過(guò)對(duì)機(jī)械齒輪故障種類及損傷原因進(jìn)行了分析，并且最終提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，希望能夠幫助企業(yè)減少生產(chǎn)過(guò)程中的齒輪失效問(wèn)題，從而保證其生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：機(jī)械齒輪;設(shè)備;失效;優(yōu)化措施

引言

機(jī)械齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)因各種原因而出現(xiàn)失效。一旦出現(xiàn)失效問(wèn)題，需要立即排查失效原因并及時(shí)地更換齒輪，以免對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常應(yīng)用造成影響。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)齒輪的加工和使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)行特點(diǎn)和易導(dǎo)致齒輪失效的關(guān)鍵性因素進(jìn)行總結(jié)，并在工作中做好防范措施。

1 機(jī)械齒輪故障種類及損傷原因

1.1 齒輪斷齒而失效

輪齒斷裂簡(jiǎn)稱斷齒，是一種常見(jiàn)的損傷形式。從斷齒的形式來(lái)看，有單齒折斷、多齒折斷和局部折斷。在使用中最典型的是疲勞斷齒和過(guò)載斷齒。產(chǎn)生這種情況的原因有二。第一是齒輪因過(guò)度運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生疲勞進(jìn)而折斷。在此情況下，機(jī)械齒輪在其運(yùn)轉(zhuǎn)期間必然出現(xiàn)受力不合理的問(wèn)題;當(dāng)其受力于較高的比懸臂梁時(shí)，齒輪根部就會(huì)因壓力而形成彎曲性應(yīng)力，則齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)期間的疲勞程度就會(huì)大幅上升;長(zhǎng)此以往，在齒輪的根部圓角處會(huì)出現(xiàn)裂紋[1]。如果未及時(shí)地對(duì)這種情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致根部裂紋持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而出現(xiàn)齒輪折斷。第二是因齒輪負(fù)載過(guò)大而出現(xiàn)折斷。如果機(jī)械齒輪在進(jìn)行傳動(dòng)時(shí)，承受了超出限額的沖擊性負(fù)載，那么齒輪就會(huì)出現(xiàn)磨損破裂，進(jìn)而被折斷。若齒輪因這種問(wèn)題而折斷，那么其折斷位置并不固定，而且斷面會(huì)十分粗糙。

1.2齒面接觸疲勞失效

如果齒輪處于低速超重的負(fù)荷運(yùn)傳動(dòng)狀態(tài)下，其表面則會(huì)因?yàn)辇X輪滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦;此時(shí)，摩擦力與表面的應(yīng)力相結(jié)合，會(huì)使得齒輪表面出現(xiàn)塑性流動(dòng)。這種塑性流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致齒輪的表面出現(xiàn)塑性變形，而且變形位置常見(jiàn)于齒輪的頂部。當(dāng)齒面出現(xiàn)塑性變形時(shí)，常常伴有飛邊情況，極易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。齒面接觸疲勞的基本形態(tài)是齒的點(diǎn)蝕和齒面剝落。

（1）點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕有局限性點(diǎn)蝕和發(fā)展性點(diǎn)蝕。局限性點(diǎn)蝕出現(xiàn)在表面粗糙度較大的軟吃面齒輪上，初期出現(xiàn)后可以自愈，對(duì)齒輪的繼續(xù)使用沒(méi)有影響。發(fā)展性點(diǎn)蝕出現(xiàn)在硬齒面齒輪上，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪的一種主要破壞形式。由于點(diǎn)蝕造成的斷齒情況很少，因此，設(shè)計(jì)上齒面接觸疲勞的安全系數(shù)比輪齒彎曲疲勞安全系數(shù)取的低。

（2）剝落

按其機(jī)理可分為連續(xù)型剝落、次表層剝落和表面層壓碎三種。連續(xù)型剝落是初期點(diǎn)蝕在過(guò)大應(yīng)力作用下形成的，其特點(diǎn)是蝕坑大而深，邊緣輪廓清晰而形狀不規(guī)則，常發(fā)生在中硬度材料的齒輪上。次表層剝落源于表面層，當(dāng)接觸表面的壓力超過(guò)臨界值時(shí)，使表層開(kāi)裂，形成淺而大的剝落坑。表層壓碎是由于熱處理缺陷，在硬化層與心部過(guò)渡處產(chǎn)生較大的硬度梯度和有害的殘余力，使該處的應(yīng)力超過(guò)材料的極限應(yīng)力所致。

1.3 膠合破壞而失效

膠合是相嚙合齒面間的一種黏著磨損。傳動(dòng)齒輪在超負(fù)荷使用過(guò)程中，齒輪工作溫度異常升高，進(jìn)而受到重載作用影響導(dǎo)致其接觸面油膜擠破，出現(xiàn)膠合破壞問(wèn)題。同時(shí)，由于兩齒面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使黏著的金屬被撕傷，從而產(chǎn)生膠合失效，而在傳動(dòng)齒輪所附著潤(rùn)滑油量過(guò)少時(shí)，也有可能出現(xiàn)膠合磨損問(wèn)題。

1.4 齒輪輪體破壞而失效

設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，工作環(huán)境中所濺射各類顆粒物質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，并在傳動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與其進(jìn)行接觸，加大齒輪磨損程度。齒輪輪體破壞是高速、重載航空齒輪的一種常見(jiàn)的破壞形式，尤其是由于齒輪共振引起是齒體破壞在國(guó)內(nèi)外各機(jī)種中曾多次發(fā)生。輪體破壞分從輪緣開(kāi)始擴(kuò)展的疲勞破壞，從輻板開(kāi)始擴(kuò)展及從輪轂開(kāi)始擴(kuò)展的疲勞破壞等三種形式。

2 機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化機(jī)械齒輪加工工藝

齒輪加工工藝的合理性和有效性對(duì)齒輪的使用效果產(chǎn)生極大地影響。為了避免出現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的問(wèn)題，相關(guān)工作人員必須加強(qiáng)對(duì)齒輪加工工藝的把控。在傳動(dòng)齒輪機(jī)械加工環(huán)節(jié)中，要嚴(yán)格遵循“先滾刀、后精切”的加工順序原則，優(yōu)先對(duì)工件進(jìn)行粗切處理，再對(duì)其進(jìn)行精切加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)齒輪滾刀精度、切齒深度的有效控制。在齒形加工環(huán)節(jié)，確保加工精度達(dá)到相應(yīng)等級(jí)，齒面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求后，再對(duì)傳動(dòng)齒輪開(kāi)展磨齒、點(diǎn)曝光、齒面修行與齒形修緣加工作業(yè)。而在硬齒面加工環(huán)節(jié)，需要在條件允許前提下優(yōu)先采用磨削加工技術(shù)，對(duì)傳動(dòng)齒輪的齒胚開(kāi)展重復(fù)熱處理以及切削加工作業(yè)。

2.2 優(yōu)化齒輪的硬化處理工藝

齒輪的表面硬度、齒輪表層向芯過(guò)渡的實(shí)際剪切強(qiáng)度和剪應(yīng)力比值都會(huì)影響齒輪的實(shí)際承載力[2]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這種比值不可以超過(guò)0.55。目前，深層性滲碳淬火法是最為有效的齒輪硬化處理方法。該方法的應(yīng)用不僅可以減少過(guò)渡區(qū)的殘余拉力，而且還可以得到較高的芯部硬度和較深的硬化層。應(yīng)用這種方法進(jìn)行硬處理，應(yīng)該將齒面的實(shí)際碳含量控制在0.8%-1%之間，而且其表面至芯的硬度梯度必須最佳和緩狀態(tài)。通常來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)了深層性滲碳淬火，齒輪的表面硬度可以達(dá)到HRC58-62，若是想進(jìn)一步消除其表面應(yīng)力，就必須對(duì)熱加工處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化齒輪的潤(rùn)滑工藝

當(dāng)完成齒面硬化后，將對(duì)齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑加工。應(yīng)該將機(jī)械齒輪形成的磨損性實(shí)效與潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)有效分離。在對(duì)齒輪進(jìn)行契合加工時(shí)，除了部分需要切點(diǎn)以外，其他部分都需要進(jìn)行滾滑式運(yùn)動(dòng)，其特性應(yīng)該與彈性流體的動(dòng)力性潤(rùn)滑理論相符。對(duì)于齒輪而言，潤(rùn)滑工藝的有效性將直接影響其使用壽命，所以相關(guān)人員必須加強(qiáng)潤(rùn)滑工藝優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)潤(rùn)滑理論，彈性流體的動(dòng)力性潤(rùn)滑理論更為有效;該理論可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械齒輪表面的局部彈性變量的實(shí)際數(shù)據(jù)的把控，并且可以根據(jù)其剛性邊界，潤(rùn)滑油膜的實(shí)際厚度需求計(jì)算出來(lái)。在機(jī)械齒輪的潤(rùn)滑工藝流程中，潤(rùn)滑工藝?yán)碚摰膽?yīng)用對(duì)潤(rùn)滑油膜壓力的分布狀況以及其形狀都具有十分大的影響。所以，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)機(jī)械齒輪潤(rùn)滑參數(shù)時(shí)，必須要根據(jù)其特點(diǎn)和潤(rùn)滑需求，合理地選擇潤(rùn)滑油的種類和使用方式。

2.4 優(yōu)化齒輪表面強(qiáng)化處理

為了有效提高傳動(dòng)齒輪的表面強(qiáng)度系數(shù)，保證其能滿足高強(qiáng)度工作的需要。因此，在變速器齒輪加工過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先采取表面強(qiáng)化措施，并對(duì)齒面和齒根進(jìn)行噴丸處理。通過(guò)齒輪表面強(qiáng)化處理，使用微小球形狀的彈丸不斷對(duì)傳動(dòng)齒輪表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行撞擊，從而產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，壓應(yīng)力在傳動(dòng)齒輪的齒面次表面中進(jìn)行集中，進(jìn)而針對(duì)性提高齒根彎曲疲勞強(qiáng)度以及齒輪接觸疲勞強(qiáng)度系數(shù)，預(yù)防裂紋擴(kuò)展等失效問(wèn)題的出現(xiàn)。此外也將對(duì)傳動(dòng)齒輪在機(jī)械加工過(guò)程中所殘留的各種刀痕、缺陷進(jìn)行消除。

3 結(jié)論

總而言之，為了保證機(jī)械齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相關(guān)人員必須優(yōu)化齒輪加工工藝，并加強(qiáng)對(duì)其使用過(guò)程的管理，以延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。為了提高機(jī)械傳動(dòng)齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，全面掌握機(jī)械傳動(dòng)齒輪故障的原因及其故障特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況選擇最有效的解決策略。

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