機械傳動齒輪失效形式研究

文/王小方，淮南舜天合成材料有限公司

1 概述

當前，隨著工礦企業(yè)的機械化和自動化程度的不斷提高，各種大型機械設備的應用導致其輸出扭矩隨之增大，但是，機械設備的使用條件決定了齒輪的尺寸、模數(shù)等都要受到機械尺寸的限制因此，從提高機械設備的可靠性、安全性和機械的使用壽命出發(fā)，對其傳動齒輪的設計和制造提出了更高的要求。 與其他行業(yè)機械設備相比較，廠礦企業(yè)的機械的特點是，齒輪多為大模數(shù)齒輪，傳動形式一般為低速重載傳動，膠合齒輪傳動是依靠主動輪輪齒的齒廓，推動從動輪輪齒的齒廓來實現(xiàn)的。當一對輪齒從進入嚙合到脫離嚙合的傳動過程中，具有以下幾個特點：

1）齒輪傳動是靠齒面的推壓，因此作用在輪齒上的力總是指向齒面。

2）傳動過程中，輪齒上的應力是變化的，齒面上任一點的接觸應力都是從無到有，從小到大，再由大變小，最后變零的。從齒體來說，主要受到彎曲應力。

3）在輪齒推動的過程中，除節(jié)點處是純滾動外，齒面其余接觸點均為連滾帶滑，齒根部分比齒頂部分跑得慢。

根據(jù)齒輪傳動的以上工作特點，齒輪傳動的失效主要在輪齒部分。輪齒的失效主要包括齒體和齒面兩方面。常見的失效形式主要有：齒體折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面塑性變形和齒面膠合等。

2 輪齒折斷

輪齒折斷是指輪齒整體或局部折斷的拉傷形式。主要分兩種情況：一種是疲勞折斷。疲勞折斷是指齒輪在傳動過程中，輪齒類似一根懸臂梁，受載后齒根處產(chǎn)生較大的彎曲應力，由于輪齒在交變的彎曲應力下工作，當齒輪工作一段時間，齒根彎曲應力超過材料的疲勞極限時，齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋迅速擴展，最終導致齒輪疲勞折斷。而另一種是過載折斷。過載折斷是指齒輪在工作過程中有嚴重過載或沖擊載荷的作用或者在制造安裝過程中，精度差，齒輪局部受載或較大的沖擊時，均可能產(chǎn)生過載折斷。過載折斷不同于疲勞折斷，其特點是斷口位置不固定，斷面粗糙。

3 齒面點蝕

齒面點蝕是工作齒面在接觸應力的長期反復作用下，其表面金屬小塊脫落的一種齒面失效形式。點蝕一般首先發(fā)生在輪齒靠近節(jié)線的齒根部位，這是因為節(jié)線附近應力較大，摩擦系數(shù)也較大。在滾滑運動中，齒根是被追越面，根據(jù)分析，互相滾滑的一對接觸表面，其相對滑動時摩擦引起的初始裂紋，當兩齒面相互滾動時，被追越面上的裂紋將因潤滑油被擠入裂縫中而使裂紋逐漸擴展，而追越面則因滾轉時將油液從裂縫中擠出，裂縫中無高壓油滾。所以裂紋不致擴展。當被追越面上的裂紋擴展到一定限度時，即形成小塊剝落，這就是點蝕。

4 齒面磨粒磨損

在開式傳動中或潤滑不充分的時候，外界微塵物質進入嚙合區(qū)而引起齒面材料的損失現(xiàn)象，稱為齒面磨粒磨損。實際工作過程中,齒輪與軸承等零件因摩擦磨損產(chǎn)生的微小顆粒、焊接飛濺物、氧化皮、銹蝕物和其它類似的金屬和非金屬雜物進入齒輪的工作面,由于齒面間存在相對滑動,這些外來顆粒起著磨粒作用,產(chǎn)生磨損。表現(xiàn)在工作齒面上，沿滑動速度方向產(chǎn)生平行的線道滑痕。齒輪運行時，在主、從動齒輪接觸過程中某一瞬時在齒面上的特定區(qū)域分別受到拉應力、壓應力、剪切應力等。在一定的循環(huán)次數(shù)后，由于疲勞作用而在輪齒表面產(chǎn)生輕微裂紋，潤滑油進入裂紋后產(chǎn)生高壓，促使裂紋長大并連接起來，使小塊金屬從表面上掉下來，形成的小坑即為點蝕。如果表面疲勞裂紋向四周擴展得較遠較深，或者一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大塊金屬脫落的現(xiàn)象即為剝落。

5 齒面塑性變形

在低速重載軟齒面?zhèn)鲃又校捎邶X面間較大壓力和滑動摩擦力的綜合作用，使齒面材料屈服而發(fā)生塑性流動的一種齒面失效形式，稱為齒面塑性變形。齒面塑性變形的方向平行于滑動方向，由于主動輪齒面的滑動方向和滑動摩擦力的方向是背離節(jié)線的，因此主動輪齒面塑性變形是在節(jié)線附近形成溝谷，在齒頂產(chǎn)生飛邊，而從動輪的齒面跟主動輪情況相反，在節(jié)線附近形成峰棱。

6 齒面膠合

在高速或低速重載的大功率傳動中，由于嚙合齒面比壓較大。或齒面溫度較高，引起潤滑油膜破裂，齒面直接接觸，產(chǎn)生干摩擦或半干摩擦，而這種摩擦將溫度進一步的升高。在齒面局部產(chǎn)生固有熔焊粘附，繼而沿滑動方向撕裂，形成兩齒面間表層材料的轉移，這種齒面損傷形式稱為齒面膠合。它有熱膠合和冷膠合兩種，在低速重載軟齒面齒輪傳動之中，由于齒面局部壓力較大，有可能使?jié)櫥湍なВ斐升X面金屬直接接觸并產(chǎn)生塑性變形，接觸表面的金屬分子相互擴散和局部再結晶而產(chǎn)生局部焊合粘連。當切向滑動時粘結點被撕開，形成冷膠合。當在高速重載的齒輪傳動中，齒面溫度較高，嚙合齒間的潤滑油膜由于高溫和高壓的作用而被破壞，造成齒面金屬接觸點的熔焊和撕裂。

7 預防措施

7.1 嚴格控制進廠鋼材的質量，對所需鋼材的化學成分、低倍組織、淬透性、力學性能等指標提出具體要求，并加大抽檢量。

7.2 提高齒輪強度，選擇合適材料并增加“開溝調質”工序。提高表面淬火熱處理工藝水平，杜絕熱處理內裂。使齒輪淬硬層與基體組織間有過渡區(qū)域(防止組織突然過渡);防止偏載運轉嚴格控制軸瓦間隙，保證齒面接觸精度，減少軋制過程中齒輪軸對軸瓦的沖擊。運用現(xiàn)代手段和方法，對關鍵零部件進行無損探傷檢查。

7.3 比較合理的齒輪工藝過程為：煉鋼(爐外精煉) →鍛造→鍛后一次退火→探傷、檢驗→粗車→探傷→開溝調質→探傷、機械性能試驗、金相檢驗→半精車→精車→滾齒一次跑合→表面淬火、回火→探傷→二次跑合。

7.4 材料選用合金鋼材料如40Cr、42CrMo等代替45鋼，因為合金鋼的淬透性和力學性能要比45鋼好。對于模數(shù)較大或軸徑較粗的工件則改用綜合性能好的20CrMnTiH鋼。