浅谈齿轮失效分析措施

浅谈齿轮失效分析措施

何健勇

东莞港集装箱港务有限公司523990

摘要：齿轮传动是机械传动形式中最重要的传动形式之一，具有传动比稳定，传递功率大，应用范围广等特点。由于设计制造和使用不当，常常会引起齿轮的失效。针对常见齿轮传动出现的失效形式、形成机理及失效预防措施做分析和阐述。通过对齿轮失效形式的分析，找出相应解决办法，提高机械传动齿轮的质量，延长机械设备使用寿命。分析失效机理有助于建立齿轮设计的准则，优化齿轮结构设计，提高齿轮传动的可靠性。

关键词：齿轮；失效分析；措施；故障诊断

引言

齿轮传动在工作的过程中可能面临各种复杂的工作状况，传递转矩和运动使得轮齿根部产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间的相对滑动产生齿面的磨损，齿廓间的间隙使得轮齿承受冲击载荷。齿根部的弯曲应力导致轮齿的变形甚至折断，接触应力产生齿面疲劳破坏而导致齿面材料的剥落。齿轮传动在不同工况下会产生不同形式的失效，具体有齿面点蚀、轮齿折断、齿面磨损、齿面胶合、齿面塑性变形五种形式。

一、齿轮失效形式

在实际生产中，齿轮的失效形式是多种多样的，常见的失效形式有轮齿断裂、齿面磨损、齿面点蚀等等。

1.1轮齿断裂

轮齿折断是一种危险性很大的最终失效形式，根据形成原因不同，它可以分为：（1）疲劳断裂。在循环载荷的作用下，齿根处产生应力集中，弯曲应力超过齿轮疲劳极限时，齿根圆角处产生疲劳裂纹，随着工作时间和循环次数的增加，裂纹逐渐扩展、加深，最后导致轮齿疲劳断裂。在实际生产和使用过程中，有很多原因能造成疲劳断裂，如齿根过渡圆角过小，齿根处粗糙度太高，加工齿轮的时，在齿根部形成有害刀痕，齿根硬度太低，安装不当，齿轮啮合处接触长度不够，导致齿轮有效承载区域减小等，（2）过载断裂。齿轮受到一次或者几次严重过载时，可能发生过载断裂。铸铁齿轮容易发生此类过载断裂。

预防措施：(1)尽量选用较大的齿轮模数，采用正变位齿轮。设计齿轮时留有足够的安全裕度。(2)提高齿轮加工精度，避免偏载和较大振动导致轮齿局部折断。增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕来减小齿根应力集中。(3)提高齿轮安装精度。增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线全长部分受载较为均匀，避免偏载。(4)合理选材，用适当的热处理方法提高齿面材料的硬度和齿芯材料的韧性，增强轮齿抗冲击性。(5)采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层材料进行强化处理。

1.2齿面磨损

齿轮副工作过程中，轮齿表面接触和摩擦导致材料消耗，称为磨损。其中又以磨粒磨损较为常见，多发生在开式齿轮传动装置中的轮齿齿顶、齿根部位，而闭式齿轮传动装置中，当润滑油含有杂质颗粒时也易造成齿面磨损。当磨损使齿廓侧隙显著加大，齿厚过度减薄时可能断齿。

预防措施：(1)加强润滑，最好是具有过虑的流动润滑。也可加入减磨添加剂。(2)加强密封，开式传动改为闭式传动。(3)提高齿面硬度。

1.3齿面点蚀

齿面点蚀是齿轮失效的主要形式，一对齿轮在啮合的时候，受到周期变化的接触应力的作用，当接触应力超过齿面材料的疲劳强度极限时，就会在齿面上产生微小的疲劳裂纹，疲劳裂纹不断扩展，延伸，最终使小块金属脱落，形成不同形状的小凹坑，在继续运转的过程中，凹坑不断增加形成点蚀。产生点蚀后，齿面有效受力面积减小，容易引起点蚀的进一步扩展，使整个齿面破坏，产生强烈的振动和噪声，齿轮不能正常工作，严重时齿会折断。

预防措施:(1)提高齿轮材料的硬度或提高齿面硬度，降低齿面粗糙度。(2)加强润滑并适当提高润滑油的粘度(粘度越低，润滑油渗入裂纹的渗透力越强，挤压膨胀从而使得点蚀扩展越快)。（3）减小动载荷(4)采用正变位安装齿轮，增大综合曲率半径。(5)按齿面接触疲劳强度设计齿轮也可有效降低点蚀失效。

1.4齿面胶合

当齿轮副在高速重载时，由于散热不足或润滑不良等使齿面接触区内金属局部熔焊，使两齿轮工作齿面的金属胶合粘连而产生撕裂伤痕，称为齿面胶合。

预防措施:(1)加强润滑措施，选用用抗胶合能力强的合成润滑油(如硫化油)；(2)在润滑油中加入极压添加剂强化油膜强度；(3)提高齿轮加工精度，减小传动时的运动冲击(4)加强散热，降低齿面接触温度。

1.5齿面塑形变形

塑性变形属于轮齿永久不可恢复的变形，它是由于轮齿材料发生屈服现象而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。硬度低的齿轮上一般发生塑性变形；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。塑性变形常见的有滚压塑变和锤击塑变。齿轮啮合时两齿面上所受的摩擦力方向不一致，所以在主动轮的轮齿上沿着节线处(相对滑动速度为零)将被碾出凹沟，而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出凸脊，种现象称为滚压塑变。当有过大的冲击时轮齿会产生锤击塑性变形，在齿面上出现较浅的沿着齿面接触线方向的凹沟。

预防措施:(1)提高轮齿齿面硬度；(2)采用高粘度的或加有极压添加剂人工合成润滑油；(3)尽量选用较小模数，降低齿高，减少齿面间的滑动；(4)采用抗胶合能力强的齿轮材料，选择合适的齿轮材料配对以保持齿轮副较小的硬度差。

二、预防齿轮失效的措施

齿轮是机械设备中用来传递动力的重要部件，而齿轮故障又时常发生，这无疑会对机械的整体运作产生不利影响。所以，有必要对齿轮失效进行预防。常见的方法有：

（1）合理设计

在设计齿轮传动时合理优化齿轮传动结构方案，计算并校核齿轮的受力，确保齿根弯曲强度及齿面接触强度。对于高速大功率齿轮传动，计算还应保证抗胶合能力，从而从齿轮设计层面预防齿轮的失效。

（2）材料选择

正确选择齿轮材料，首先要满足齿轮工作条件的要求。例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小，传动功率大和可靠性高的要求，因此选择机械性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率大，工作速度低，周围环境中粉尘含量高，因此常选用铸钢或铸铁材料。然后根据设计计算所知的材料强度极限，选择恰当的钢材牌号。此外，材料的选择还要考虑齿轮尺寸、毛坯成型方法及热处理和制造工艺等。

（3）制造工艺

制造齿轮时，通过改进生产工艺，确保齿轮制造精度和表面粗糙度，通过恰当的热处理工艺，调整齿轮材质组织，提高轮齿硬度，提高齿面抗剥落能力。

（4）正确安装

齿轮副只有正确安装才能确保正确啮合、防止偏载、降低噪声。在齿轮安装时，确保中心距安装误差在允许范围内，确保两齿轮轴平行度满足要求，防止齿轮齿面接触不均匀，从而提高齿轮的使用寿命。

（5）维护保养

为了确保齿轮传动正常，需定期对齿轮传动装置进行例行检查、维护保养。如定期检查、更换润滑油，清理杂质颗粒，检查齿轮运行状况，及早发现潜在问题，并及时检修。对高速重载齿轮传动装置，要检查润滑油温升，做好通风散热。

三、齿轮故障的诊断方法

前面通过对齿轮失效形式及成因的分析，可根据失效特征判别齿轮故障类型，及时解除故障，提出改进方案。但在齿轮传动投入使用之后，为了确保正常生产秩序、提高经济效益并确保生产安全，必须对齿轮传动的故障做到早知道早预防。而不是等到齿轮失效发生后才处理。为此，研究齿轮故障诊断方法就有特别重要的现实意义。齿轮传动主要通过旋转啮合传递力和运动，而旋转啮合必将产生某种形式的机械振动。当齿轮传动发生故障时，如齿面磨损、点蚀、变形、制造或安装误差等将改变正常的齿轮啮合振动的形式，也即在这些振动信号中，必然包含有齿轮故障的特征信息。监测、分析这些故障信息就可实现齿轮传动的故障诊断。而从这些振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信号则是故障诊断的关键和难点。目前使用的主要方法可分为以下几类：

（1）解调分析法

由于齿轮轴的转频、载荷波动、故障等调制齿轮啮合频率，齿轮传动的振动信号频谱常常表现为啮合频率及其谐波边带。当齿轮工作正常时，这些振动频谱基本保持不变；而当齿轮出现故障时，频谱边带和幅值将发生变化。如轮齿发生裂纹，故障齿轮每转都会产生一次局部调制。若对振动信号进行解调，并从时域变换到频域分析，往往能得到更多的特征信息。基于解调思路的方法主要有倒频分析、包络分析等。

（2）统计分析法

对于高斯信号，其统计特性可由其均值（一阶矩）和方差（二阶矩）来描述。而对于非高斯信号，就需要用更高阶的统计量来描述。在齿轮早期故障时，振动和噪声信号中故障调制信息微弱，常常被淹没在噪声之中。基于Hilbert变换构造解析信号，然后计算包络信号的高阶统计量，从而提取机械故障特征。该方法可以较容易地将正常齿轮信号和齿轮裂纹、断齿的信号分离。

（4）智能诊断法

针对齿轮轮齿的智能故障诊断法主要包括神经网络、灰色理论、失效树分析、专家系统等。其中神经网络和灰色理论应用更广泛，神经网络由于在非线性问题的自学习和在线预报方面有很强的优势，目前已经在轮齿的失效诊断和预报方面得到了广泛的应用；而灰色理论系统中由于只有部分信息已知，在将灰色系统应用于轮齿的故障诊断时，把带有故障的齿轮系统抽象为一灰色系统，将系统的灰色建模，灰色聚类等数学方法与信号处理技术有机结合，达到系统预见的发展状态，从而到轮齿故障的内在情况。

四、结语

齿轮的工作情况和制造材料存在着很大差别，因此齿轮失效的原因很复杂，在实际的齿轮失效分析工作中，要根据具体的失效形式、现场调查来查明齿轮失效的原因，有的齿轮失效是由几种原因综合作用引起的，因此，要进行全面的分析，科学的推断，采用适当的预防措施，提高齿轮的使用寿命。

参考文献

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[2]机械齿轮失效原因分析[J].刘兴华.中国高新技术企业.2008(15).

[3]齿轮失效常见的几种形式[J].林觉慧.科技资讯.2007(16).

[5]齿轮轮齿断裂失效分析思路与预防[J].侯学勤,李莹.金属热处理.2011(S1).