傳動系統的實效分析

楊力

上海市機械工程學會失效分析專業委員會 上海 201108

機械傳動系統作為一種傳遞動力和匹配轉速的裝置，主要包括齒輪副、傳動軸、支承軸承、箱體、潤滑劑、原動機和負載等。常見的機械傳動系統有帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動和輪系。

1 傳動件失效形式

齒輪、傳動軸和軸承是載運工具中最重要的傳遞動力的部分，隨著現代工業的飛速發展，齒輪傳動的應用范圍越來越廣泛，性能要求也逐步提高。由于機械設備轉速的提高，傳遞的載荷不斷增大，導致齒輪傳動系統經常需要在高速重載的條件下連續工作，同時搭載該系統的設備工作環境往往十分惡劣，使齒輪傳動系統中的齒輪副和支承軸承等主要部件很容易受到損害而出現故障。這些關鍵部件的故障和失效會給生產和社會造成嚴重的損失。

在GB/T 3481—1997《齒輪輪齒磨損和損傷術語》中對齒輪的損傷類型、損傷原因和預防措施作了描述；齒輪的常見失效形式有齒面耗損的跡象、膠合、永久變形、齒面疲勞現象、裂縫、裂紋及齒輪折斷等。

雖然齒輪存在多種失效模式，如齒面點蝕、齒根彎曲、齒面磨損、齒面膠合等形式，但齒面接觸和齒根彎曲是齒輪的兩種主要失效形式。

軸件在傳動系統中起著支撐其他零件、傳遞運動和力的作用。軸件常見的失效形式有變形、斷裂、表面損傷等。

傳動系統的軸承在使用過程中可能由于各種原因造成其性能指標達不到使用要求導致失效或損傷。軸承常見的失效形式有疲勞剝落、磨損、破裂、腐蝕、燒傷、電蝕及變形等。

2 傳動件失效分析步驟

作為傳動系統的齒輪、軸、軸承等，在工作中工況、環境和受力比較復雜，零部件的失效原因根據其運行情況各不相同。在實際失效分析工作中應根據具體情況具體分析，找出失效的準確原因，提出行之有效的改進措施。

傳動系統零件的失效分析可以根據如下步驟進行：

1）搜集背景資料，對失效件試樣選擇、標記、清理、保存。

2）對失效件進行肉眼觀察，記錄其宏觀表象及特征，確定失效件的失效形式。

裂紋不明顯時可以進行無損檢測顯示出裂紋形貌，圖1所示為齒面裂紋的宏觀形貌。根據斷口形貌確定裂紋起源，推測加載方式（拉、彎、壓、扭等）、應力大小及方向，圖2所示為斷口宏觀形貌，可以判斷裂紋起源于齒根部，斷面存在貝殼紋特征，為疲勞斷裂。

圖1 齒面裂紋的宏觀形貌

圖2 齒輪斷口的宏觀形貌

3）采用化學成分分析來判定材料的成分是否符合標準要求。對表面沉積物、腐蝕產物及表面鍍層等進行成分分析。

4）進行力學性能測定，確認失效件的性能是否符合標準要求；對于傳動系統零部件表面硬化處理的試樣進行有效硬化層梯度檢測，以判定是否符合技術要求。

5）微觀分析。利用光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等對失效件損傷特征包括源區的位置、形貌特征、微區成分、材料冶金缺陷、源區附近的加工痕跡以及外來物等進行微觀觀察與分析。

圖3所示為圖1裂紋剖面在金相顯微鏡下觀察齒面裂紋的擴展方向和剝落形貌，圖4所示為掃描電鏡下觀察剝落區域的疲勞輝紋特征。以上檢驗為判明失效模式、分析失效機理及失效原因提供依據。

6）對失效件的制造工藝、加工質量、結構尺寸、受力狀態及應力大小等進行分析，以評定失效件的制造質量和設計是否符合要求。

7）模擬試驗。在需要與可能的條件下，通過模擬試驗來驗證零部件的失效模式和失效原因。

完全模擬或整體模擬往往很難實現，尤其是對重大的失效事故只能對材料實現部分的模擬試驗。對于傳動系統零部件的失效情況一般在實驗室模擬試驗只能模擬一個或幾個參數，如磨損試驗等。

8）根據現場調查結果及搜集到的背景資料，結合試驗分析結果，對失效模式與原因進行全面系統的綜合分析，找出失效分析原因并提出糾正、改進與預防措施。

圖3 齒輪表面裂紋的擴展方向和表面剝落特征

圖4 剝落區域的疲勞特征

傳動系統零部件的早期失效很難發現，一旦發現異常，失效的特征可能因后期磨損、咬合卡滯、摩擦過熱等將原始特征破壞，無法根據常規的失效分析程序獲得失效模式的證據。因此失效分析對象不僅是當前失效件（在失效現場獲得的失效件），還要包括潛在失效件（在役或返修中的與當前失效件相同型號并且履歷相似的零件）進行對比分析，并且查找過去失效件（歷史上曾發生過的與當前失效件同一型號的類似失效件）的失效情況進行類比推理分析。

3 結束語

本期刊登的關于傳動系統零部件的失效分析是專家學者對傳動系統零部件的損傷及失效形式進行的深入研究，在長期的生產和實踐中，從大量的失效件及失效分析中總結出常見失效模式、失效原因及其預防措施。這些經驗和案例對傳動系統獲得良好的使用性能和工作壽命的提高具有一定的借鑒和指導意義。