淺述減速機高速齒輪軸斷裂失效及處理

霍亮

摘 ?要：機械長期的運行以及其運行過程中出現的摩擦問題，會導致齒輪的傳動出現故障。齒輪失效不僅是機械內部運行造成的，一些外部因素也會導致齒輪失效，因此，需要從多個角度對齒輪失效的形式進分析，并結合其運行環境找出造成齒輪失效的關鍵因素，進而采取有效的解決措施提升齒輪運行的壽命與效率。

關鍵詞：齒輪軸斷裂;失效;處理

1 減速機高速齒輪軸斷裂失效常見問題

1.1 齒面疲勞

齒面疲勞指的是在齒輪的表面出現了裂紋，主要特征是金屬的移動與凹坑，并使凹坑合并或使尺寸增大，具體有齒面點蝕和疲勞剝損2種。其中齒面點蝕是指在齒輪運行中在高度接觸下，齒輪表面因為接觸應力較大且超出了正常值，在超荷載影響下就會出現裂紋。比如齒輪節線就是最早出現的裂紋部分，在持續接觸應力作用下齒輪表面上麻點應力增大，齒輪表面會出現片狀金屬剝落，從而對齒廊產生破壞。關于疲勞剝損具體是指機械設備本身存在的潛在破壞，比如有較大顆粒物從齒面上脫落。一般來說，表面淬火的齒輪和硬齒面更容易發生疲勞剝損問題。

1.2 變形失效

在機械運行過程中，時常受到多方面因素影響而出現傳動齒輪嚙合不當問題，進而導致齒輪扭曲變形，出現飛邊、齒面凹陷變形等一系列問題。此外在未及時開展傳動齒輪潤滑保養工作時，有可能出現齒面產生波紋、變形等失效問題。

1.3 輪齒折斷

輪齒折斷是齒輪常見的失效形式之一。在通常情況下，輪齒折斷有以下兩種情況：其一，疲勞斷齒。輪齒在重復的交變應力作用下，由輪齒危險截面產生疲勞源，進而產生疲勞裂紋，裂紋不斷擴展，直至剩余截面上的應力超過輪齒的極限應力，形成瞬時斷齒;其二，過載斷齒。如果負載過大會造成輪齒折斷的現象，當輪齒在正常傳動過程中，突然受到強大的沖擊，超出輪齒的負載能力范圍，或者是在制造、安裝齒輪時，精度不夠高，使得齒輪嚙合區偏載，傳動過程中受到過大沖擊負荷后造成的齒輪折損或出現固定折損位置，并且有非常明顯的斷裂面。

2 失效原因分析

2.1 軸的失效

在附加載荷作用下，軸的撓度和扭轉角增大，將引起彎曲應力和扭轉應力增加，加快軸的疲勞失效，隨著時間的推移，造成軸的彎曲和扭轉變形。同時，軸頸和軸承內圈形成邊緣接觸式運轉，接觸面積減小，加快軸頸的磨損。

2.2 軸承引起的失效

齒輪減速器使用的軸承為滾動軸承，主要失效形式有疲勞點蝕、磨損和塑性變形。疲勞點蝕是滾動體和內外圈接觸處受脈動循環應力的作用產生的;磨損是滾動體和內外圈相互摩擦運動、點蝕剝落下來的金屬微粒進入摩擦表面、潤滑不良等原因造成的;塑性變形是軸承受過載或過大的沖擊載荷，使軸承元件永久變形產生的。

2.3 斷口原因分析

帶式輸送機使用中，用來輸送物料，物料從料斗中掉落在帶式輸送上，所以帶式輸送機載荷一直是在變化的，同時帶式輸送機因工作需要隨時停止和啟動，存在重載啟動現象。經現場人員調查測量，現場其他同批帶式輸送機安裝存在問題，驅動軸安裝同心度存在超差。結合試驗，該高速軸工作時除受到扭力外，還受到由于安裝不同心造成的較大旋轉彎曲力，同時存在重載啟動現象。致使該軸受到較大的額外應力，在表面過早產生疲勞裂紋源，隨著時間的推移，該軸在工作中受到不斷變化載荷影響，疲勞裂紋不斷擴大，直至最終斷裂。

3 齒輪失效解決措施

3.1 選材不斷優化

選材的優化應從齒輪的工藝性能要求、韌性、強度要求等方面全面考慮并選擇最恰當的齒輪材料。目前，最常使用的材料就是低碳合金滲碳鋼，含碳量相對比較低，卻能夠強化鋼的淬透性和耐磨性。所以，可以選擇冶金質量較佳的電渣重熔合金剛或是真空脫氣精煉鋼，這主要是因為此類材料的純度相比更高，氧、氮或非金屬雜質的含量過少，致密度相對來看反而更高，韌性和塑性也更強，繼而可以有效減少齒輪中的機械性能與各向異性。

3.2 熱處理

機械齒輪的承載能力不僅取決于表面硬度，還取決于表層向芯部過渡區的剪應力與剪切強度的比值，它不能大于 0.55。深層滲碳淬火是這種齒輪硬化處理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，較小的過渡區殘余拉應力和充足的硬化層深度。齒面含碳量一般控制在 0.8%～1%為宜，由齒表面到芯部的硬度梯度要緩和。滲碳齒輪經過淬火和回火，表面硬度應達到 HRC58～62，要消除齒輪特別是表層的殘余內應力。推廣碳、氮共滲新工藝，氮的滲入深度一般控制在 0.2mm 以內，它不但能硬化表層，還能產生壓應力，可比單純滲碳齒輪的強度極限應力提高 13%以上，壽命可提高 1 倍。熱處理后，尚需進行油浴人工時效處理。

3.3 齒輪斷齒造成失效

齒輪斷齒造成的失效是整個機械工程中最為嚴重的情況，主要包括過載折斷、疲勞折斷隨機折斷等，對于過載折斷來說，是指齒輪受到一次或者多次嚴重過載時發生的斷齒，這種情況下，齒輪的斷口一般位于齒輪根部，斷口一般很平直且粗糙。疲勞折斷是指齒輪在長時間高循環狀態下使得齒根部位產生疲勞裂紋，出現折斷，斷口可以劃分為疲勞斷口面和最終斷口面，疲勞斷口區域內看不到塑性變形，疲勞折斷可能發生在齒輪的端部。隨機折斷一般也發生在齒輪根部，但是特殊情況也會出現在其他部位。對于防范齒輪折斷的措施有很多，可以增大齒根圓角半徑，消除這一部位的加工刀痕以便減少齒根的應力集中，還可以增大軸及支撐物的剛度，以便減輕局部的受力程度，還可以對輪齒進行噴丸、碾壓等冷作處理以便提高齒面。

3.4 正確的潤滑劑

3.4.1結合工作實際情況使用

機械設備中的齒輪傳動中的不同使用狀況、潤滑地點潤滑方式、潤滑劑種類、加注潤滑劑量及周期進行準確記載，已摸索和總結出齒輪傳動正確使用潤滑劑的經驗和規律，并能依據轉動齒輪生產的規定進行維修計劃的具體修訂，滿足現實齒輪傳動潤滑劑使用和變化，適時的調整潤滑劑品種和劑量，確保齒輪傳動順利的進行。

3.4.2潤滑劑的科學管理和使用

機械出現問題，很多時候和潤滑劑量和潤滑品種使用的不當有關，所以要根據機械正常投入使用的標準把控潤滑劑品種技術參數指標和控潤滑劑使用劑量。一般情況下，使用正確的潤滑劑品種和正常的潤滑劑量時機械設備不會發生機械故障，齒輪基本不會失效。不符合技術標準的潤滑油品種和不足潤滑油的計量以及超周期的加注，都會導致機械設備出現故障的致因因素。

4 減速機的維護與保養

減速機的日常維護和保養主要是巡檢有無滲油，及時檢查箱內液位，潤滑情況是否良好，各處螺絲是否堅固完好，定期檢查設備的溫度情況，運行一段時間要用鉛絲咬入齒輪的齒合位，以測磨損情況。潤滑油就是相當重要了。

齒輪采用油池潤滑和循環潤滑兩種形式。潤滑油要定期檢查更換，新安裝的減速機第一次使用時，在運行了10天到15天是要及時更換新油，一般至少每半年更換一次，以后定期檢查油的質量，在化驗油質量時，在出現下列情況時，須立即更換油，一是潤滑油中異物含量超過2%，二是潤滑油中金屬磨料超過0.5%，三是潤滑油中含水量超過2%。軸承采用飛濺潤滑，但每次拆洗重裝時，要加入適量的鈣鈉基潤滑脂。

5 結語

隨著社會工業化程度的加深，齒輪在傳動件中的應用越來越多。齒輪作為傳動件中的重要組成工具，在機械工程中占據著重要位置，往往處在機械設施中的關鍵部位，所以，對其選擇與應用需要慎重思考，掌握選擇原則，以便適應較為復雜的工況條件，保證齒輪傳動的有效性。

參考文獻：

[1]蘇發龍.減速機高速齒輪軸斷齒及斷軸分析與對策[J].中國設備工程，2017（21）：129～131.

[2]李運生.樓天明，許安心.回轉窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸分析與對策[J].浙江冶金，2014（01）：27～31.

[3]馬醇三.孫潤冬.王曉明.邱開慧.F1軋機減速箱高速齒輪軸斷齒分析[J].中國設備工程，2013（05）：37～39.