工程機(jī)械車橋齒輪失效分析及工藝優(yōu)化

崔亞偉

摘要：齒輪是工程機(jī)械中最為重要的組成部件，若齒輪出現(xiàn)失效的情況，將會(huì)對(duì)整個(gè)工程機(jī)械設(shè)備造成嚴(yán)重影響。因此，有必要對(duì)工程機(jī)械車橋齒輪進(jìn)行工藝優(yōu)化，降低車橋齒輪失效的幾率，滿足客戶實(shí)際需求。鑒于此，本文簡要概述了工程機(jī)械車橋齒輪的特征，分析了工程機(jī)械車橋齒輪失效的原因，并對(duì)工程機(jī)械車橋齒輪工藝優(yōu)化措施進(jìn)行了深入研究。

Abstract： Gear is the most important component in construction machinery. If the gear fails， it will have a serious impact on the entire construction machinery and equipment. Therefore， it is necessary to optimize the process of the axle gear of construction machinery to reduce the probability of axle gear failure and meet the actual needs of customers. In view of this， this article briefly summarizes the characteristics of axle gears of construction machinery， analyzes the reasons for the failure of axle gears of construction machinery， and conducts in-depth research on the process optimization measures of axle gears of construction machinery.

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;車橋齒輪;齒輪輪面;失效分析;措施

Key words： engineering machinery;axle gear;gear wheel surface;failure analysis;measures

中圖分類號(hào)：TH132.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0118-02

0? 引言

工程機(jī)械設(shè)備中，齒輪失效的情況十分常見，且對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響很大。齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)受到各種因素的影響，從而出現(xiàn)失效的情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)齒輪失效時(shí)，要及時(shí)對(duì)失效原因進(jìn)行排查以及更換齒輪，避免對(duì)機(jī)械設(shè)備整體運(yùn)行造成更嚴(yán)重的影響。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員需要詳細(xì)分析齒輪在運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)失效情況的影響因素，積累齒輪使用經(jīng)驗(yàn)，有效降低齒輪出現(xiàn)失效現(xiàn)象的幾率，并做好相應(yīng)的防范措施。

1? 工程機(jī)械車橋齒輪的特征

車橋齒輪主要應(yīng)用于工程機(jī)械底盤之中，具有轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，受工程機(jī)械領(lǐng)域的廣泛使用，車橋齒輪的制造水平以及設(shè)計(jì)工藝會(huì)對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量造成直接影響。穩(wěn)定性是機(jī)械齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的必要條件，若想確保工程機(jī)械設(shè)備可以正常運(yùn)行，需要確保其具有一定的可靠性。就轉(zhuǎn)動(dòng)效率來看，通常情況下，機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)效率是整個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的首位，其工作效率可達(dá)到九十九個(gè)百分點(diǎn)以上。但是，機(jī)械車橋齒輪存在普遍的失效現(xiàn)象，還需要對(duì)其進(jìn)行不斷的優(yōu)化。

2? 車橋齒輪失效分析

通常情況下，車橋齒輪出現(xiàn)故障都是在多齒部分，其他部分出現(xiàn)故障的情況相對(duì)較少。齒輪出現(xiàn)失效的原因主要包括齒面膠合、齒面出現(xiàn)塑性形變、齒面磨損以及齒輪折斷等，在進(jìn)行車橋齒輪失效分析時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷，并及時(shí)給予維修或更換。

2.1 車橋齒輪折斷? 機(jī)械設(shè)備在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)齒輪折斷導(dǎo)致齒輪失效的情況是最為常見的，但這種情況也是極度危險(xiǎn)的，是造成齒輪失效發(fā)生的根本原因，螺旋傘齒輪發(fā)生折斷的情況如下圖1所示。機(jī)械車橋齒輪折斷的主要原因有兩個(gè)方面：①過載折斷。車橋齒輪在短時(shí)間內(nèi)所承受的沖擊過大，或者由于齒輪輪齒出現(xiàn)了變薄的情況，都會(huì)導(dǎo)致齒輪所承受的應(yīng)力達(dá)到極限，從而使齒輪發(fā)生斷裂;②疲勞折斷。由于齒輪涉及到循環(huán)載荷，其根部所承受的壓力最大，在遭受長時(shí)間的疲勞載荷時(shí)，會(huì)在車橋齒輪根部與過度的圓角部位發(fā)生裂紋，當(dāng)載荷不斷擴(kuò)大時(shí)，會(huì)使裂紋逐漸變大，最后造成車橋齒輪折斷的現(xiàn)象[1]。

2.2 車橋齒輪齒面磨損? 齒輪出現(xiàn)磨損情況，主要是因?yàn)辇X輪在正常運(yùn)行中，齒輪表面發(fā)生摩擦而出現(xiàn)的損耗，齒輪發(fā)生磨損的具體情況如圖2所示。通常情況下，這種損耗會(huì)導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)輪齒變薄的情況，嚴(yán)重了還會(huì)發(fā)生齒輪斷裂，另外，也會(huì)對(duì)漸開線齒輪齒部形狀造成一定的破壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)震動(dòng)并產(chǎn)生一定的噪音。車橋齒輪出現(xiàn)磨損的情況，大多數(shù)原因是所處的環(huán)境條件相對(duì)較差，可能是泥淖倒車或者行駛路面存在大量砂礫等情況，從而使車橋齒輪輪面與之相互作用產(chǎn)生了損耗。

2.3 車橋齒輪齒面膠合? 齒輪發(fā)生齒面膠合的現(xiàn)象，主要發(fā)生在長期、重載以及高速轉(zhuǎn)動(dòng)的車橋齒輪中。齒輪在進(jìn)行正常工作時(shí)，由于受機(jī)械摩擦力的影響，會(huì)使齒輪逐漸升溫，使齒輪之間的潤滑油膜加倍破壞，齒輪齒面直接接觸與之相連的金屬，導(dǎo)致齒面發(fā)生黏連的現(xiàn)象，并在齒輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使較軟地方的齒面金屬連帶被撕下來，從而導(dǎo)致齒輪表面出現(xiàn)節(jié)瘤、溝槽以及劃痕等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也就被稱為齒面膠合[2]。當(dāng)車橋齒輪出現(xiàn)膠合現(xiàn)象后，就會(huì)使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)不平穩(wěn)的情況，并加速車橋齒輪的磨損，嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致齒輪迅速斷裂以及失效。

2.4 車橋齒輪齒面點(diǎn)蝕? 齒面點(diǎn)蝕其實(shí)是一種接觸性疲勞損壞，在齒輪進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)脈動(dòng)循環(huán)現(xiàn)象，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)使接觸面上的金屬出現(xiàn)疲勞裂痕，嚴(yán)重的裂痕情況會(huì)造成金屬脫落，從而形成齒面點(diǎn)蝕。車橋齒輪出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕之后，其在運(yùn)行中所承載的面積就會(huì)縮小，從而產(chǎn)生沖擊與噪音，情況嚴(yán)重可能會(huì)出現(xiàn)齒輪折斷的情況，在對(duì)車橋齒輪進(jìn)行檢查時(shí)，若發(fā)展齒面點(diǎn)蝕已經(jīng)達(dá)到了齒高、齒寬的六成以上，就需要及時(shí)更換，以確保工程機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，有效降低出現(xiàn)事故的概率[3]。

2.5 車橋齒輪齒面塑性變形? 通常情況下，車橋齒輪塑性變形多發(fā)生在低速、重載的車橋齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中，塑性形變出現(xiàn)在硬度低的齒輪上。車橋齒輪在正常工作中，當(dāng)齒輪表面應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過齒輪的屈服極限時(shí)，齒輪表面材料就會(huì)受摩擦力的影響，從而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，這種現(xiàn)象也就是齒面塑性變形。當(dāng)發(fā)生這種情況后，主動(dòng)齒輪的節(jié)線處會(huì)出現(xiàn)凹槽，導(dǎo)致從動(dòng)輪產(chǎn)生凸脊，對(duì)工程機(jī)械中車橋齒輪的正常運(yùn)行十分不利。

3? 工程機(jī)械車橋齒輪工藝優(yōu)化措施

車橋齒輪的制造水平以及設(shè)計(jì)工藝會(huì)對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量造成直接影響，因此，對(duì)齒輪工藝進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。在工程機(jī)械生產(chǎn)中，為了有效降低設(shè)備故障幾率，避免齒輪出現(xiàn)失效的情況，需要采取相應(yīng)的預(yù)防措施以及維護(hù)措施，保證齒輪的精準(zhǔn)度以及齒輪材料的合理選擇。

3.1 減少齒輪折斷的措施? 車橋齒輪出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生極度危險(xiǎn)的后果。因此，需要對(duì)齒輪出現(xiàn)折斷現(xiàn)象進(jìn)行有效預(yù)防，在對(duì)車橋齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，需要準(zhǔn)確計(jì)算齒輪的彎曲疲憊度，可以采取以下措施：第一，在對(duì)車橋齒輪安裝時(shí)，需要確保安裝的精準(zhǔn)度，避免出現(xiàn)偏載的情況，進(jìn)而造成齒輪失效;第二，在車橋齒輪的齒根位置，利用輥壓以及噴丸等方法，對(duì)其表面進(jìn)行一定的硬化處理，還可以將表層向齒芯過渡區(qū)域的抗剪強(qiáng)度提升;第三，將齒根處的過度圓角擴(kuò)大，并不斷提升齒輪齒面的加工精度，從而降低齒輪輪面的粗糙程度;第四，利用熱處理技術(shù)，確保車橋齒輪輪面具有一定的硬度、齒芯具有韌性，對(duì)齒輪進(jìn)行表面硬化以及熱處理，可以將齒輪的整體性能大幅度提升，有效避免齒輪失效[5]。最后，明確車橋齒輪在惡劣環(huán)境中的使用規(guī)范，避免出現(xiàn)誤用的情況，并以書面形式告知使用者，對(duì)工程機(jī)械的使用工況給予警示，有效預(yù)防由于用戶不了解使用情況，而人為造成機(jī)械某些重要部件出現(xiàn)異常失效的情況。

3.2 提升齒輪硬度，定期磨損檢查? 車橋齒輪出現(xiàn)磨損情況的主要原因，就是齒輪在長時(shí)間的運(yùn)行過程中，會(huì)受摩擦力的影響，使齒輪齒面出現(xiàn)損耗。因此，若想有效降低車橋齒輪出現(xiàn)磨損情況，就需要將齒輪輪面的強(qiáng)度不斷提升，對(duì)齒輪進(jìn)行定期的檢查，并進(jìn)行滲氮以及滲碳等熱處理，對(duì)齒根、齒面等關(guān)鍵部分使用噴丸強(qiáng)化，不僅可以增強(qiáng)芯部過渡區(qū)域的強(qiáng)度，還可以將車橋齒輪的表面接觸強(qiáng)度提升[7]。通常情況下，對(duì)齒輪的檢查標(biāo)準(zhǔn)是，重要位置齒輪磨損齒面磨損要在齒面厚度的一層以內(nèi)，對(duì)于一般的部位而言，需要確保磨損程度控制在二成至三成之間，若超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就需要進(jìn)行及時(shí)的維修以及更換。

3.3 降低齒面出現(xiàn)膠合的措施? 齒輪齒面膠合是齒面接觸時(shí)齒面溫度上升造成潤滑油膜被破壞，從而進(jìn)一步導(dǎo)致齒輪表面出現(xiàn)溝槽等現(xiàn)象，所以，有效減少或預(yù)防車橋齒輪出現(xiàn)膠合的情況，需要采用一些吸附性能相對(duì)較強(qiáng)的潤滑油，有效提升油膜的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度，確保油膜在長期高溫的情況下，仍能保持較高的強(qiáng)度，將自身潤滑效果以及隔離效果充分發(fā)揮出來，從而降低齒面膠合現(xiàn)象。另外，車橋齒輪材料的科學(xué)、合理選擇，可以降低齒輪出現(xiàn)膠合的情況。在選擇時(shí)不僅要充分考慮齒輪的韌性、工藝性能以及強(qiáng)度，還要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)材料的經(jīng)濟(jì)成本以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行考慮。

3.4 防止齒面點(diǎn)蝕的措施? 在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要準(zhǔn)確計(jì)算車橋齒輪齒面的疲勞強(qiáng)度，確保將齒面的接觸應(yīng)力控制在允許值的范圍內(nèi)。另外，可以將齒輪表面光滑程度進(jìn)行提升、用粘連性相對(duì)較高的潤滑油、利用正變轉(zhuǎn)動(dòng)、提升車橋齒面的硬度以及將散熱條件進(jìn)行完善等，從而降低齒輪表面的粗糙度、避免油膜被破壞，進(jìn)而防止車橋齒輪輪面點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。潤滑油的科學(xué)、合理使用是至關(guān)重要的，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在以往的齒輪失效實(shí)例中，不正確使用潤滑油而造成的機(jī)械事故占整體機(jī)械是事故的五分之一以上，潤滑油使用不足引起的機(jī)械事故占三分之一，由此可見，在機(jī)械事故中，有一半以上的事故都是由于潤滑油的不合理使用造成的，所以，車橋齒輪中選擇性能較好的潤滑油，對(duì)降低車橋齒輪失效具有重要意義[8]。

4? 結(jié)束語

綜上所述，齒輪是工程機(jī)械中，最為重要的組成部件，齒輪失效的情況十分常見。車橋齒輪在正常時(shí)會(huì)受到齒面膠合、齒面塑料出現(xiàn)形變、齒面磨損以及齒輪折斷等因素影響，從而出現(xiàn)失效的情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)齒輪失效時(shí)，要及時(shí)對(duì)失效原因的排查，明確車橋齒輪在惡劣環(huán)境中的使用規(guī)范，避免出現(xiàn)誤用的情況，同時(shí)需要調(diào)整齒輪的滲碳工藝，減少人為因素，選擇性能好的潤滑油、適當(dāng)降低介質(zhì)溫度，從而降低車橋齒輪失效的情況出現(xiàn)。

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