淺析工業機械軸承和齒輪的失效研究

李泉偉 汪永利

(1.鄭州機械研究所，河南 鄭州 450052;2.山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104)

一 軸承失效的表現形式及原因

1.接觸疲勞失效

接觸疲勞失效是軸承最常見的一種失效形式，產生這種失效現象的原因是軸承表面受到較大的交變應力，使軸承的表面出現裂紋，甚至還會出現斷裂。在最初的交變應力作用下，只是會產生細小的裂紋，當所承受的交變應力逐漸增大，接觸表面就會形成剝落;這就是解除疲勞失效和解除疲勞剝落。

2.磨損失效

磨損失效主要發生在軸承零件之間，當機械是被正常運作時，軸承零件之間會發生摩擦運動，這種情況會造成軸承發生尺寸大小以及整體形狀的變化，而表面也會逐漸變壞，降低了光滑度，使軸承自身的旋轉精度也逐漸降低。軸承零件在工作時，在與之相配的零部件之間擠入了外來的小顆粒或者是自身磨損的磨屑，這種異物夾在的磨損失效是磨粒磨損失效;如果軸承接觸有顯微的凸起，或有軟異物使接觸面的摩擦力受力不均，產生了局部摩擦熱，可能會使摩擦接觸面出現顯微的焊合現象，這種磨損失效叫做粘著磨損失效。

3.塑性變形失效

因外力與溫度的原因使軸承的表面形成局部變形或流動性的塑性變形，這種變形嚴重時會使產生軸承失效，這種失效也稱之為塑性變形失效。

4.斷裂失效

如果軸承所受的外部載荷超過了自身所能承受的強度，達到極限時就會造成斷裂;會使軸承的外部載荷增加的原因可能會是軸承在安裝時不合理，或者是主機突然發生故障;如果是軸承自身存在縮孔、氣孔、裂紋等缺陷而產生的斷裂有可

被叫做缺陷斷裂失效;如果軸承的套圈和滾子在進行熱處理、鍛造和研磨加工時，產生過熱、局部燒傷或者產生了表面小裂紋，這種情況下一旦受到突發外力增加或沖壓，就會使軸承發生斷裂失效。

5.游隙變化失效

軸承的正常工作時，因外界環境發生變化，使自身的配合間隙發生了改變，導致精度降低，這時很容易造成軸承與同自己相配合的部件發生咬死的現象，這種失效方式就叫做游隙變化失效。

6.腐蝕失效

當軸承的金屬表面同周圍的介質發生化學反應，而造成了軸承自身的表面損傷被稱作腐蝕失效;引起腐蝕失效的原因有很多，例如大氣、燃料、潤滑油氧化物等，腐蝕物被分為郵寄酸腐蝕、電介質腐蝕、電流腐蝕和其他介質腐蝕，腐蝕會對軸承表面造成蝕坑，也會使軸承表面逐漸粗化、脆硬，這種腐蝕性質的失效在不嚴重的情況下還會誘使軸承發生斷裂失效。

二 齒輪失效的表現形式及原因

齒輪是工業機械中產生運動傳遞和動力傳遞的重要零部件。試論的種類很多，所應用的范圍也很廣，不同的工作環境，不同的工作條件，會對齒輪造成不同的制約與影響，因此齒輪的失效形式就會不同。具體的失效分類要根據所失效的齒輪的外形特點、失效過程以及齒輪的運動工作機理來確定。

齒輪的失效大致可分為四類，表面疲勞、磨損、塑性變形和折斷。具體的失效類型如下表所示。

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產生失效的原因：

1.磨損失效。當齒輪加工時所使用的潤滑劑粘度、齒面的工作速度、工作載荷與齒輪的粗糙度不相匹配，會造成齒輪的輕微磨損;當齒輪的工作環境處于邊界潤滑狀態，此時若潤滑系統中混有小量的污染物或者雜質，此時錯造成齒輪的中等磨損;當齒輪的潤滑系統不佳，密封裝置不良，此時機械系統就會出現嚴重的振動，產生較大的沖擊載荷，會對齒輪造成過渡磨損;在齒輪進行嚙合時，齒間有異物或者金屬屑，異物或金屬屑會引起磨粒磨損，如果這種情況發生在開始齒輪上，磨粒磨損會更為嚴重;在齒輪的工作環境中一些異常因素導致齒輪材料發生了電化學反應，就會對齒輪造成腐蝕磨損。

2.膠合磨損失效。膠合是指齒輪在工作時，處于一定的壓力下，齒面會發生一定的粘著現象，隨著齒輪的相繼嚙合，齒面金屬會剝落進而形成更嚴重的膠合磨損。產生膠合的主要原因時潤滑條件與實際工況不協調，或者齒輪嚙合運動時存在輕微的干涉，此時齒輪是輕微膠合磨損;如果此時齒輪嚙合是的齒面所受應力太大或咩和速度過快就會出現齒輪局部溫度過高，造成破壞性的膠合磨損;在齒輪安裝是如果存在誤差，會造成在齒輪進行正常的工作時的集中載荷、載荷不均造成局部升溫過快，造成局部膠合磨損。

3.表面疲勞。部分齒輪的材質為鑄鐵，齒輪的表面或有些凹凸不平，齒輪嚙合是的過載會造成齒輪的點蝕;齒輪嚙合是應力增加，會使齒輪的滑動速度方向發生改變，不易形成潤滑油膜;材料自身有缺陷，加上齒輪材質較硬，齒面會產生疲勞裂紋，造成齒輪的表面疲勞失效。

4.塑性變形。齒輪的材料硬度較低時，進行嚙合是的接觸應力過高，加上潤滑系統不良就會發生塑性變形;齒面就會出現爬行的現象，齒輪運轉速度低，不穩定的振動會形成鱗皺;起脊常發生在重載工況下的蝸桿齒輪中，是由于雙曲線齒輪接觸應力增加，如果潤滑不良，速度過慢就會形成起脊;齒輪潤滑系統失常會造成齒輪的溫度迅速上升，引起齒輪的熱塑變形，而載荷過大時則會引起冷塑變形。

5.斷齒失效。齒輪的齒根圓半徑較小而齒輪的便面粗造的過高，倘若此時有較高的交變應力存在，就會使齒輪的齒根部受到嚴重的損傷，一旦在嚙合時有異物存在，就會使齒輪產生斷齒失效。

三 防止軸承和齒輪失效的有效措施

對于軸承失效的預防措施主要是最初的設計改良以及日常檢測保養這兩個方面。在軸承進行生產實際時要考慮到實際的工作情況和工作環境，進行合理的選材，通過設計手段去提高軸承的使用壽命，通過工藝改良提高軸承的精度，還有在機械加工時保證軸承的質量精度和裝配精度;在日常的檢修維護中采取一定的措施去改善軸承的工作條件與工作環境，定期的檢查檢查有助于盡早的發現問題，避免損失，還可以通過機械設備的表面溫度，運行是所發出的聲響是否異常來辨別是否已存在損傷的問題了。此外目前還有正對性的軸承診斷和預測技術，可以不用停機，就能夠對軸承的實際工作情況進行監控，可在第一時間發現問題。

對于齒輪失效的有效措施主要體現在潤滑劑上。根據實際的工作條件與環境進行合理的潤滑系統匹配，在一定的工作強度要求下，適時的調整潤滑劑，并要求調整潤滑劑的粘度、加工時做好潤滑劑的溫度控制，在特殊情況加有必要在潤滑劑中添加極壓添加劑等;其次就是增設必要的過濾裝置，由于工業機械的工況環境復雜，且經常有污染物存在，過濾裝置可以很好的改善齒輪的工作環境，對延長齒輪的使用壽命與預防失效有很大的幫助;適當控制齒輪嚙合的機械干涉，保證齒輪的安裝精度，當齒輪發生輕度變形是可對其進行適當的修形;降低翅根的粗糙度，正確恰當的熱處理與噴丸，也可以設置安全裝置，防止意外過載，都可以預防齒輪失效。

四 結論

對于常用的標準機械部件的失效原因進行分析研究，是保證工業機械設備正常運轉工作的必要措施，對軸承和齒輪失效原因的分析與防止失效的措施的運用也可降低工業機械的生產成本，減少企業損失，同時也為工業機械化生產未來掃清了諸多障礙。

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