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浅谈机械工程中齿轮失效现象的预防

齿轮作为机械设备中的关键部件，很大程度的影响设备运行状态及使用寿命。本文通过对造成齿轮失效的形式及原因进行分析，探讨和提出了相应的解决方式。
齿轮〔Gear〕是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。在现代机械设备的传动装置中，齿轮由于传动效率高，传动比准确，高功率等优点，使其广泛的应用于工业产品中，它的制定和制造水平直接影响工业产品的质量。
齿轮分为多种类型，用途不同所选用的齿轮也不同。
在实际生产中应用的齿轮，不同的故障模式的也存在差异。通常，故障是都发生在多齿面的一部分，其它部位则较少发生。齿轮的失效形式大致分为，齿面磨损，齿面胶合，疲惫点蚀，轮齿折断，齿面塑性变形等。

齿轮磨损是指齿轮在工作过程中，轮齿表面材料由于摩擦而产生的损耗现象。这种状况一方面导致了渐开线齿廓形状的破坏，引起系统震动产生噪音：另一方面也导致轮齿减薄，容易断裂折断。造成这种状况的原因一是工作环境差，粉尘较多使齿面间进入砂砾等硬质屑粒，二是软齿面互相作用摩擦产生的损耗。
针对这两种造成齿轮磨损的原因，我们需要提升轮齿表面硬度，定期检查轮齿磨损程度，关于关键部位重要齿轮，齿面磨损要小于原齿厚度的10%，而关于一般齿轮的齿面磨损，在小于原厚度20%-30%时，应及时改换或修理。

齿面胶合易于发生在高速重载传动的齿轮上，齿轮在工作中，机械摩擦力做功会使齿合区的温度上升，破坏润滑油膜，齿面之间金属直接接触，造成粘连，此时相对较软的齿面金属则会随着齿轮的运动方向被撕下，在齿轮表面并产生峰岗、节瘤、刮痕或沟槽，这种现象被称为胶合。结合齿面胶合的不同原因和特征，可将其分为破坏性胶合、稍微胶合、局部胶合及中等胶合等。齿轮发生齿面胶合后，将加速齿轮的磨损、产生不平稳的传动，导致齿轮迅速失效、报废。
为了防止或减少齿面胶合的现象，我们可以采纳吸附性能高的润滑油，提升油膜的强度和相对稳定性，在高温高压下仍能很好的发挥润滑及隔离效果，预防齿面胶合。
1.3 齿面点蚀
点蚀属于接触疲惫损坏，齿轮在传动中，接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲惫而形成细小的疲惫裂痕，裂痕的扩展造成金属剥落，形成点蚀。齿面在出现点蚀后，由于承载面积减少，会导致噪音和冲击，甚至会出现轮齿折断。倘假设齿轮的点蚀面积大于齿宽、齿高的60%，则要对零件进行更新。
防止齿轮发生齿面点蚀的措施：制定前对齿面疲惫强度进行计算，使齿面接触应力不超过同意值。此外，提升齿面硬度、及表面平滑度、采纳正变位传动、选用较高粘度的润滑油、改善散热条件等都可以显著预防点蚀的发生。
1.4 齿面塑性变形
在齿轮工作过程中当表面的工作应力大于材料屈服极限后，齿面表层材料就会沿着摩擦力方向产生塑性流动,这种现象称为塑性变形，此时主动齿轮面节线处将会有凹槽产生，而从动轮将会有凸脊出现。
此类失效一般发生在低速重载的齿轮传动中,塑性变形面多在非齿齿轮上。
预防齿面塑性变形需要提升轮齿面硬度，选用高粘度的润滑油等方法。
1.5 齿轮折断
齿轮折断现象在机械传动设备中式最常见也是最危险的现象之一，是造成齿轮失效的最主要原因。
轮齿折断的原因主要有弯曲疲惫折断、过载折断、随机折断、轮齿剪断和塑变后折断。其中尤其以疲惫折断和过载折断最为常见。
疲惫折断：齿轮由于循环载荷的作用，齿根部位受力最大，在齿根过渡圆角处有应力集中。当超过齿轮材料疲惫极限时，容易在齿根的圆角部位产生疲惫裂痕，随着裂痕不断扩展，最终发生断裂。
过载断裂：轮齿在短时间内受到过载冲击或者轮齿变薄后，导致齿轮应力超过了其所能承受的应力极限产生断裂。载荷严重集中，装配精度不够等都有可能引起过载断裂。
为了预防轮齿折断，在制定时，要对轮齿弯曲疲惫强度进行计算。为防止轮齿折断可以采用以下措施：①增大齿根处过度圆角，提升齿面加工精度等工艺措施降，低齿根表面粗糙度，。②提升齿轮安装精度，避免偏载。③合理的热处理，保证齿芯韧性和齿面硬度。④对齿根进行喷丸、辊压等表面硬化处理。
齿轮失效现象的预防措施综述
各个公司在日常生产中，为了减少设备故障，降低齿轮失效的发生率，就需要采用相应的预防及维护措施，保证齿轮运行精度，及使用寿命。如选取合适的材料、采纳合理的制定方案、保证齿轮安装精度；使用适当材质的齿轮产品；选择合适的齿轮油；定期保养维护等等。
齿轮材料选择：要依据强度、韧性和工艺性能要求，综合合计。同时也要合计成本及经济效益因素。结合实际，宜选用低碳合金渗碳钢。关于承受重载和冲击载荷的齿轮，采纳以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材(含Ni量2%~4%)；关于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮，亦可选用无Ni的Ni-Mn钢。
齿轮的热处理及表面硬化：合理的热处理及表面硬化处理，可以大幅度提升齿轮性能，防止失效。先对齿轮进行渗碳、渗氮等热处理，在对齿面、齿根等关键部位喷丸强化，即提升了表层向芯部过渡的区域抗剪强度又提升了齿轮表面接触疲惫强度〔30%~50%〕。此外正确的安装运行，选用合理的润滑油等措施都可以起到防止及减缓齿轮失效的作用。依据相关资料显示，齿轮失效事故中，由于不当的润滑而引发的机械事故占20%，润滑不够而引发的机械事故占有的比例为35%。可以看出过半的机械事故是因为润滑问题引发的。可见，齿轮在使用过程中选用较好的润滑油的意义非常重要。
本文主要介绍了造成齿轮失效的几种典型形式，通过对齿轮失效形式及原因进行分析，提出了几种预防措施和解决方法。