工業齒輪箱失效問題及防護對策淺析

◇機械科學研究總院青島分院有限公司 焦孫治 楊劍橋 李 晨

齒輪箱是機械設備傳動系統的重要組成部件，同時也是傳動系統中最容易發生故障的部件。隨著裝備制造業的蓬勃發展，特別是大功率工業裝備日趨主流，如何有效提高產品質量，確保服役可靠性已然成為裝備制造業亟需攻克的難題。本文從工業齒輪箱的服役環境特點出發，對組成齒輪箱的關鍵零部件的工作狀態和主要失效模式進行分析論述，并探討了相應的防護補救措施。該項工作對于防止和延緩工業齒輪箱同類損傷失效事件的再次發生，提高工業裝備服役壽命具有重要指導借鑒意義。

齒輪箱是組成工業裝備傳動系統的關鍵部件，廣泛用來實現變速、改變轉矩、離合以及分配動力等功能。例如風電設備需要增速齒輪箱將風能緩慢驅動的轉軸加速到可有效發電的轉速，而一些應用于重載行業的機械設備的傳動系統常由減速齒輪箱組成，通過減速實現大轉矩輸出。我國工業化水平持續向高水平穩步邁進，離不開工業裝備的不斷升級。隨著工業裝備向大功率、長周期安全服役發展，齒輪箱關鍵零部件的可靠性把控成為裝備制造者關注的重點。一個典型的工業齒輪箱主要由箱體、箱蓋、齒輪軸、齒輪、軸承等關鍵零部件裝配而成。在服役過程中，以上構件都有可能發生損傷失效，造成運行故障或安全隱患。為此本文主要就工業齒輪箱的服役工況、關鍵零部件的失效模式及對應的防護對策展開分析論述，旨在指導工業齒輪箱的損傷預防和延緩失效的發生，從而延長工業裝備的服役壽命。

1 工業齒輪箱的服役環境

工業齒輪箱是高速輕載、高速重載、低速重載動力傳遞的重要紐帶。涉及領域包括風力發電業、建筑與采礦業、加工制造業等，服役工況十分苛刻。例如風力發電設備多安裝在氣候惡劣的偏遠地區，主要地，陸上風場有沙塵、冰雪、低溫，海上風場有鹽霧、臺風等。風電設備在極端工況下故障率較高，尤其涉及齒輪箱的密封潤滑系統[1]。用于建筑采礦業及鋼鐵生產加工業的機械設備齒輪箱，多屬低速重載運行，傳遞的轉矩大，且設備服役工況惡劣，長期處在多硬質粉塵的環境中，外加沖擊載荷和高頻振動作用，傳動系統升溫快，增加了零部件的磨損速度，造成漏油等系列問題。工業齒輪箱在上述服役環境下發生損傷失效的形式多樣，下文將針對齒輪箱零部件常見的失效形式及對應的減傷延壽方法展開論述。

2 工業齒輪箱的失效模式及防護措施

常見的工業齒輪箱零部件損傷失效案例有箱體失效、齒輪失效、軸磨損或斷裂失效、軸承失效及其他非常規失效[2]。齒輪箱失效原因既有設計制造缺陷等內因，也有安裝、使用和維護保養不當等外因。

齒輪箱箱體主要用來支撐和包容齒輪等關鍵零部件，承載潤滑油。由于構造復雜，通常為鑄件。鑄造時冒口位置散熱速度慢，常造成組織粗大等缺陷，引起力學性能下降。另外，箱體結構的轉角位置常伴有應力集中，在有外部腐蝕介質的環境中極易發生應力腐蝕開裂。為有效防止箱體失效，應從結構設計和加工工藝方面入手，一方面增加足夠的圓角過渡緩解應力集中，引入加強筋提高箱體剛度等。另一方面在制定鑄造工藝時重點關注鑄件的冒口位置，如通過加冷鐵激冷等方式可有效避免粗大晶粒的生成，從而獲得良好的綜合力學性能。此外通過優化箱體涂裝工藝，可有效防止腐蝕介質的侵蝕作用，實現箱體延壽。

齒輪是傳動系統中最為關鍵的零部件，也是最易產生損傷失效的零部件。在重載傳動時，齒輪副軟齒面難免因屈服產生塑性變形，造成齒形偏差，進一步發展使得應力集中的根部位置發生折斷[3]。點蝕是齒面失效的一種形式，多發生在齒根面上節線處，節線處齒輪副的相對滑動速度低，形成油膜的條件差，容易出現潤滑不良。齒輪嚙合面直接接觸產生較大的摩擦力直接造成微小裂紋，加之滲入潤滑油的擠壓作用造成小區域剝落，形成齒面麻點。在重載傳動中，齒輪的齒面嚙合區局部高溫環境會引起潤滑失效，造成兩金屬面直接接觸粘連，在隨后的相對滑動中出現齒面膠合失效，軟齒面材料將會被犁溝帶走。在潤滑不足和多塵環境下，齒面磨損難以避免，粉塵、磨損產生的金屬屑都會引起齒面間磨粒磨損，齒面磨損到一定程度會造成齒輪箱異常振動，最終導致傳動故障[4]。引發齒輪上述失效的原因可能為選材和熱處理工藝不當，設計制造誤差，或者設備使用維護不當。為防止齒輪失效，在設計加工環節就應降低損傷。通過合理選擇制造工藝，增加易產生應力集中位置處圓角過渡，采取熱處理滲碳滲氮手段提高齒面硬度，保證足夠的潤滑環境及潤滑油清潔度等，必要時還需針對具體服役工況提高潤滑液粘度及散熱性達到良好潤滑。

在長時間工作過程中，齒輪軸的磨損難以避免。軸磨損直接造成原配合面的松曠，對外表現為異常振動和聲響，嚴重時還會造成潤滑油外漏和偏載。若修復不及時或將影響其他傳動件的正常運轉，引發連帶失效。通常采用堆焊再加工、打麻點或鑲嵌軸套等手段對磨損的軸進行修復，但這些方式都不是理想的修復手段，過程繁瑣且會間接帶來新的缺陷。隨著科技進步，現在開發了高分子復合材料用以安全有效修復[5]。齒輪軸在服役過程需承受較大的扭矩，在強扭矩作用下齒輪軸有發生彈塑性變形的趨勢。即使在低應力狀態，長期的交變載荷也會引起材料的疲勞破壞，引起齒輪軸斷裂失效。合理選擇材料和加工工藝對于提高齒輪軸的疲勞強度尤為重要，此外在熱加工過程要嚴格規避夾雜物，因為這往往是后期齒輪軸發生脆性破壞的根源。

軸承是工業齒輪箱中重要的零部件，用以支撐旋轉體，減小摩擦系數。軸承失效是齒輪箱失效的一個重要故障源，尤其低速重載工況下軸承難以形成良好的潤滑條件，從而引發系列失效問題。滾動軸承的滾動體與內外圈通過點接觸發生滾動，接觸應力大，由此引起的失效形式主要有磨損、接觸疲勞。另外滾動軸承的保持架也是易損壞的部件之一，在安裝不當和過載運行時產生的軸向載荷，沖擊載荷常引起保持架的變形失效、支柱斷裂或脫焊。滑動軸承工作特點為滑動摩擦，滑動體之間為面接觸，因此常用在承載要求高的部位。滑動軸承的失效形式多為疲勞剝落、磨粒磨損等[6]。軸承磨損常在潤滑不足時發生，外來硬質粒子直接造成軸承表面犁溝狀擦傷，另外潤滑條件嚴重惡化時還會因摩擦面微區焊合引起黏著磨損。游隙是軸承安裝時重點考慮的參數，適量增大游隙可保證軸承的潤滑和散熱，但游隙過大會削弱軸承抵抗沖擊載荷的能力。

3 結語

目前對齒輪箱失效的認識水平大多建立在對實際案例的分析結果上，在關鍵零部件疲勞、磨損及斷裂失效的機理問題上仍有很大的研究空間。具體地，還需加強對材料宏觀失效與微觀組織結構演變的關系研究，分析齒輪箱各零部件的強耦合關聯性及復雜的外載荷條件對內部結構的損傷演變規律，探索復雜交變載荷與內部結構響應機制。另外，加強齒輪箱運行狀態監測和開發遠程故障診斷技術，對服役設備進行定期、定點維護檢查，建立振動狀態、潤滑油狀態、箱體的運行溫度等關鍵指標和故障發生的對應關系，提高綜合質量管理水平等是事先預警、有效避免或延緩工業齒輪箱發生失效的有力措施。