齿轮失效形式探讨

1 齿轮失效形式探讨齿轮失效形式探讨 摘 要 齿轮是机械传动中使用较多的零件 齿轮是机械设备中广泛使用的一种机械传动零 件 齿轮传动就是通过一对齿轮轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力 并可以 改变运动的形式和速度 齿轮传动使用范围广 传动比恒定 效率较高 使用寿命长 是机器 的重要机构 由于质量和使用等问题 齿轮会出现失效的现象 常见的轮齿失效形式有 轮齿 折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形 等等 关键词 齿轮 失效形式 预防 1 引言 齿轮是重要的传递运动和功率的零件 它的受力情况很复杂 如 齿根部 承受很大的交变弯曲应力 齿面承受很大的接触应力和摩擦力 齿部承受一定 的冲击载荷 这会使齿轮产生几种不同的失效形式 而齿轮的失效会影响机器 的正常工作 甚至有可能引起严重的事故 因此 对齿轮的可靠性提出了越来 越高的要求 失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因 并提出相应的改进 措施 另外 从经济性考虑 也要不断提高零件的寿命 这些都使得失效分析 变得越来越重要 失效分析的结果对于零件的设计 选材 加工以至使用都有 很大的指导意义 2 齿轮的失效形式 2 1 齿轮断裂 1 疲劳断裂 它是由于循环弯曲应力超过材料的极限应力 这种应力可 能由于齿根结构 超负荷 角度误差或由于缺口 齿面的缺陷导致突然的应力 增高 在加载侧出现裂纹 通常在齿面边缘的圆角上而发展到沿整个齿根或者 沿对角线斜上横过全齿的整齿断裂 如 某煤矿综采面使用的中双链刮板输送 机的传动齿轮 下井只用几个月就陆续发生三轴齿轮 一轴圆弧伞齿轮断齿事 故 主要原因是选材不当 30 CrMnTi 钢 2 磨损断裂 由于严重点蚀 剥落或严重的磨料性磨损等严重磨损 使 轮齿的强度降低到轮齿断裂极限以下 造成轮齿断裂 3 超负荷断裂 由于突然的冲击负荷 在齿面的一个端角度误差处造成 2 载荷集中 也可能由于轴承的损坏 轴的弯曲或较大的外部零件进入啮合使轮 齿楔住 而造成轮齿断裂 4 淬裂 它是由于热处理形成过高的内应力 是疲劳断裂的起源点 外 观呈细丝状裂纹 断纹的初始部分会氧化变色 5 磨削裂纹 由于机加工齿轮磨削的方法不当或热处理方法不当 在齿 面产生细的裂纹 避免措施 1 采用高强度钢 2 采用合适的热处理方式增强轮齿齿 芯的韧性 3 用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应 力集中 4 增大轴及支承的刚性 使轮齿接触线上受载较为均匀 5 采 用喷丸 滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理 6 加大齿轮模数 7 采用正变位齿轮 网状形 也是疲劳断裂的起源点 2 2 齿轮磨损 1 正常磨损 是齿轮接触表面上的金属以一定的速率缓慢的损耗 它在 齿轮的预期寿命内将不影响其正常的使用性能 磨损量以不超过维修标准为限 2 中度磨损 是齿轮接触表面上的金属较快的损耗 它会使齿轮的齿廓 发生一定的变化 使平稳性降低 噪音加大 3 破坏性磨损 它是齿面的损伤 齿廓的变化达到非常严重的程度 使 运转的平稳性受到较严重的破坏 齿轮的寿命显著降低 4 磨料性磨损 擦伤 它是由于在齿轮的啮合中进入细颗粒 使齿面 沿滑动方向呈短线状划痕 引起齿面的损坏 这种颗粒可能是来自齿轮箱中的 污物 铸造遗留的砂粒 油中的杂质和轮齿表面或轴承剥落下的金属颗粒 5 干涉磨损 由于安装不当 当轮齿不合理或提前接触时 全部载荷集 中于主动齿轮根与相配齿轮的齿顶的啮合上 在被动轮齿根与相配齿轮的齿顶 间断开 其破坏由轻到重 严重时主动轮齿齿根被掘起 而相配齿轮的齿顶严 重地卷起 引起齿轮副的完全破坏 6 腐蚀性磨损 它是由于轮齿在啮合摩擦过程中与周围介质发生化学反 应或电化学反应的磨损 如酸的湿气 水污染 润滑油的污染及润滑油脂混入 酸性水对齿面所产生的锈蚀等 在煤矿井下这种情况时常发生 3 7 胶合 由于超负荷或使用润滑油不当 轮齿接触面在重载的作用下 润滑油油膜破裂 使两啮合轮齿的接触面材料直接接触并粘焊在一起 引起较 软齿面的部分接触面材料沿滑方 向被撕破或起沟 当成因条件没有消除时 胶合会继续扩展 8 疲劳磨损 点蚀 在齿轮的高副接触中 材料表层受到很大的接触 应力 当载荷重复作用时 常会出现表层金属呈小片状剥落 而在零件表面形 成小坑 有着钝和粗糙的外观 9 烧伤 由于超负荷 高速或润滑不良 产生过度磨擦 轻者齿面高温 变色 重者由于材料的硬度降低而产生严重磨损或齿面损坏 避免措施 1 提高齿面硬度 2 降低轮齿表面粗糙度 3 降低滑 动系数 4 定期清洁和更换润滑油 5 变开式传动为闭式传动 2 3 疲劳点蚀 点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一 在润滑良好的闭式齿轮传动中 常见的 齿面失效形式多为点蚀 所谓点蚀就是齿面在周期变化着的接触应力作用下 由于疲劳而产生的麻点状损伤现象 齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻 点 如工作条件未加改善 麻点就会逐渐扩大 甚至数点连成一片 最后形成 了明显的齿面损伤 齿轮在啮合过程中 齿面间的相对滑动起着带动形成润滑 油膜的作用 而且相对滑动速度愈高 愈易在齿面间形成油膜 润滑也就愈好 当轮齿在靠近节线处啮合时 由于相对滑动速度低 形成油膜的条件差 润滑 不良 摩擦力较大 特别是直齿轮传动 通常这时只有一对齿啮合 轮齿受力 也最大 因此 点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上 然后再向其它部位 扩展 从相对意义上说 也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差 即 接触疲劳强度最低 开式齿轮传动 由于齿面磨损较快 很少出现点蚀 避免措施 1 提高齿轮材料的硬度 可以增强齿轮抗点蚀的能力 2 选用较高黏度的润滑油 可以减小摩擦 减缓点蚀 延长齿轮的工作寿命 3 降低表面粗糙度 4 采用正变位传动 5 提高加工安装精度 6 改善散热条件 2 4 齿面点蚀 轮齿受力后 吃面接触处将产生循环变化的接触应力 在接触应力反复作 4 用下 轮齿表层或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹 疲劳裂纹扩展的结果 使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑 称为齿面疲劳点蚀 简称点蚀 点蚀多出 现在润滑良好的闭式齿轮传动中 形成原因及解决方案 1 全齿面针状点蚀 小麻点 可能由于箱体内不洁净或油料使用不当造 成 以适当提高润滑油的的黏度为宜 因为当齿面出现疲劳裂纹后 润滑油就 会侵入裂纹 而且黏度越低的油越易侵入裂纹 润滑油侵入裂纹后 在轮齿黏 合时就有可能在裂纹内受到挤胀 从而加快裂纹的扩展 所以对速度不高的齿 轮传动 以用粘度高一些的油润滑为宜 但速度较高的齿轮传动 如要用喷油 润滑 宜用黏度低的油 2 齿中部小面积破坏性点蚀 粒状 可能因为热处理渗碳淬火有效硬化 层深度不够 表层硬度梯度大 齿形设计不合理等因素造成 应适当提高齿轮 材料的硬度 以增强齿轮抗点蚀的能力 避免措施 1 提高齿轮材料的硬度 可以增强齿轮抗点蚀的能力 2 选用较高黏度的润滑油 可以减小摩擦 减缓点蚀 延长齿轮的工作寿命 3 降低表面粗糙度 4 采用正变位传动 5 提高加工安装精度 6 改善散热条件 2 5 齿面胶合 高速重载传动中 常因啮合区温度升高而引起润滑失效 致使齿面金属直 接接触而相互粘连 当齿面相对滑动时 较硬的齿面把软齿面上一部分金属黏 走 较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹 齿面发生胶合后 两齿面都变的 很粗糙 从而加剧了齿面磨损 避免措施 1 采用抗胶合能力强的润滑油 2 采用角变位齿轮传动 3 减小模数和齿高 降低滑动速度 4 提高齿面硬度 5 配对齿轮有 适当的硬度差 6 改善润滑与散热条件 2 6 齿面塑性变形 塑性变形属于轮齿永久变形 是由于在过大的应力作用下 轮齿材料处于 屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的 当轮齿材料较软 载荷很大 时 轮齿在啮合过程中 齿面油膜被破坏 摩擦力增大 而塑性流动方向和齿 面所受摩擦力的方向一致 齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变 5 形 齿面塑性变形常发生在齿面材料较软 低速重载 频繁启动和过载传动的 齿轮传动中 齿轮传动机构中主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶 及齿根作用的 故产生塑性变形后 齿面沿节线处变成凹槽 而从动轮齿上所 受的摩擦力方向则相反 产生塑性变形后 齿面沿节线处形成凸脊 避免措施 1 适当提高齿面硬度 2 采用黏度高的润滑油 结束语 通过对齿轮失效形式的了解 在以后的学习生活中工作中 能够很好地发 现与减少事故的发生