机械齿轮故障及失效的优化措施

刘兴龙

摘要：工业生产的快速发展极大地推动了生产力的发展，而在此过程中各种工业机械的出现是促进工业生产快速发展的一个重要原因，在机械设备使用过程中经常出现齿轮故障及失效的问题，如果不能及时解决将会影响工业生产的正常进行。本文通过对机械齿轮故障种类及损伤原因进行了分析，并且最终提出了相应的优化措施，希望能够帮助企业减少生产过程中的齿轮失效问题，从而保证其生产工作的顺利进行。

关键词：机械齿轮;设备;失效;优化措施

引言

机械齿轮在传动过程中会因各种原因而出现失效。一旦出现失效问题，需要立即排查失效原因并及时地更换齿轮，以免对机械设备的正常应用造成影响。相关技术人员应该根据机械传动齿轮的加工和使用经验，对其运行特点和易导致齿轮失效的关键性因素进行总结，并在工作中做好防范措施。

1 机械齿轮故障种类及损伤原因

1.1 齿轮断齿而失效

轮齿断裂简称断齿，是一种常见的损伤形式。从断齿的形式来看，有单齿折断、多齿折断和局部折断。在使用中最典型的是疲劳断齿和过载断齿。产生这种情况的原因有二。第一是齿轮因过度运转发生疲劳进而折断。在此情况下，机械齿轮在其运转期间必然出现受力不合理的问题;当其受力于较高的比悬臂梁时，齿轮根部就会因压力而形成弯曲性应力，则齿轮运转期间的疲劳程度就会大幅上升;长此以往，在齿轮的根部圆角处会出现裂纹[1]。如果未及时地对这种情况进行调节，会导致根部裂纹持续扩大，进而出现齿轮折断。第二是因齿轮负载过大而出现折断。如果机械齿轮在进行传动时，承受了超出限额的冲击性负载，那么齿轮就会出现磨损破裂，进而被折断。若齿轮因这种问题而折断，那么其折断位置并不固定，而且断面会十分粗糙。

1.2齿面接触疲劳失效

如果齿轮处于低速超重的负荷运传动状态下，其表面则会因为齿轮滑动而产生摩擦;此时，摩擦力与表面的应力相结合，会使得齿轮表面出现塑性流动。这种塑性流动会导致齿轮的表面出现塑性变形，而且变形位置常见于齿轮的顶部。当齿面出现塑性变形时，常常伴有飞边情况，极易出现折断现象。齿面接触疲劳的基本形态是齿的点蚀和齿面剥落。

（1）点蚀

点蚀有局限性点蚀和发展性点蚀。局限性点蚀出现在表面粗糙度较大的软吃面齿轮上，初期出现后可以自愈，对齿轮的继续使用没有影响。发展性点蚀出现在硬齿面齿轮上，是航空发动机齿轮的一种主要破坏形式。由于点蚀造成的断齿情况很少，因此，设计上齿面接触疲劳的安全系数比轮齿弯曲疲劳安全系数取的低。

（2）剥落

按其机理可分为连续型剥落、次表层剥落和表面层压碎三种。连续型剥落是初期点蚀在过大应力作用下形成的，其特点是蚀坑大而深，边缘轮廓清晰而形状不规则，常发生在中硬度材料的齿轮上。次表层剥落源于表面层，当接触表面的压力超过临界值时，使表层开裂，形成浅而大的剥落坑。表层压碎是由于热处理缺陷，在硬化层与心部过渡处产生较大的硬度梯度和有害的残余力，使该处的应力超过材料的极限应力所致。

1.3 胶合破坏而失效

胶合是相啮合齿面间的一种黏着磨损。传动齿轮在超负荷使用过程中，齿轮工作温度异常升高，进而受到重载作用影响导致其接触面油膜挤破，出现胶合破坏问题。同时，由于两齿面间的相对运动使黏着的金属被撕伤，从而产生胶合失效，而在传动齿轮所附着润滑油量过少时，也有可能出现胶合磨损问题。

1.4 齿轮轮体破坏而失效

设备在运行过程中，工作环境中所溅射各类颗粒物质进入设备内部结构中，并在传动齿轮运动过程中与其进行接触，加大齿轮磨损程度。齿轮轮体破坏是高速、重载航空齿轮的一种常见的破坏形式，尤其是由于齿轮共振引起是齿体破坏在国内外各机种中曾多次发生。轮体破坏分从轮缘开始扩展的疲劳破坏，从辐板开始扩展及从轮毂开始扩展的疲劳破坏等三种形式。

2 机械传动齿轮失效的优化措施

2.1 优化机械齿轮加工工艺

齿轮加工工艺的合理性和有效性对齿轮的使用效果产生极大地影响。为了避免出现机械传动齿轮失效的问题，相关工作人员必须加强对齿轮加工工艺的把控。在传动齿轮机械加工环节中，要严格遵循“先滚刀、后精切”的加工顺序原则，优先对工件进行粗切处理，再对其进行精切加工，从而实现对传动齿轮滚刀精度、切齿深度的有效控制。在齿形加工环节，确保加工精度达到相应等级，齿面粗糙度符合设计要求后，再对传动齿轮开展磨齿、点曝光、齿面修行与齿形修缘加工作业。而在硬齿面加工环节，需要在条件允许前提下优先采用磨削加工技术，对传动齿轮的齿胚开展重复热处理以及切削加工作业。

2.2 优化齿轮的硬化处理工艺

齿轮的表面硬度、齿轮表层向芯过渡的实际剪切强度和剪应力比值都会影响齿轮的实际承载力[2]。在实际应用过程中，这种比值不可以超过0.55。目前，深层性渗碳淬火法是最为有效的齿轮硬化处理方法。该方法的应用不仅可以减少过渡区的残余拉力，而且还可以得到较高的芯部硬度和较深的硬化层。应用这种方法进行硬处理，应该将齿面的实际碳含量控制在0.8%-1%之间，而且其表面至芯的硬度梯度必须最佳和缓状态。通常来说，经過了深层性渗碳淬火，齿轮的表面硬度可以达到HRC58-62，若是想进一步消除其表面应力，就必须对热加工处理工艺进行进一步优化。

2.3 优化齿轮的润滑工艺

当完成齿面硬化后，将对齿轮进行润滑加工。应该将机械齿轮形成的磨损性实效与润滑实现有效分离。在对齿轮进行契合加工时，除了部分需要切点以外，其他部分都需要进行滚滑式运动，其特性应该与弹性流体的动力性润滑理论相符。对于齿轮而言，润滑工艺的有效性将直接影响其使用寿命，所以相关人员必须加强润滑工艺优化。相比于传统的基础润滑理论，弹性流体的动力性润滑理论更为有效;该理论可以实现对机械齿轮表面的局部弹性变量的实际数据的把控，并且可以根据其刚性边界，润滑油膜的实际厚度需求计算出来。在机械齿轮的润滑工艺流程中，润滑工艺理论的应用对润滑油膜压力的分布状况以及其形状都具有十分大的影响。所以，技术人员在设计机械齿轮润滑参数时，必须要根据其特点和润滑需求，合理地选择润滑油的种类和使用方式。

2.4 优化齿轮表面强化处理

为了有效提高传动齿轮的表面强度系数，保证其能满足高强度工作的需要。因此，在变速器齿轮加工过程中，应优先采取表面强化措施，并对齿面和齿根进行喷丸处理。通过齿轮表面强化处理，使用微小球形状的弹丸不断对传动齿轮表面结构进行撞击，从而产生一定的残余压应力，压应力在传动齿轮的齿面次表面中进行集中，进而针对性提高齿根弯曲疲劳强度以及齿轮接触疲劳强度系数，预防裂纹扩展等失效问题的出现。此外也将对传动齿轮在机械加工过程中所残留的各种刀痕、缺陷进行消除。

3 结论

总而言之，为了保证机械齿轮的正常运转，相关人员必须优化齿轮加工工艺，并加强对其使用过程的管理，以延长齿轮的使用寿命。为了提高机械传动齿轮运行的稳定性，应不断总结经验，全面掌握机械传动齿轮故障的原因及其故障特点，并根据实际情况选择最有效的解决策略。

参考文献：

[1]王瑞锋，张立勇，张建伟，王长路.谐波齿轮传动概述[J].机械传动，2019（01）：171-176.

[2]汪淑艳，钟庆海.关于机械传动齿轮失效问题的探讨[J].内燃机与配件，2019，000（009）：128-129.

[3]姚建安.關于机械齿轮传动及传动失效的特性分析[J].南方农机，2018，49（17）：201.