摘要:在机械动力传输过程中,主减速器发挥着至关重要的作用,而齿轮作为主减速器的主要部件,对其质量要求也十分严格。如果齿轮在使用过程中失效,将会导致设备不能正常运行,甚至造成很多不必要的损失,危及人身安全。因此,了解齿轮的失效形式,有助于预防事故的发生,也有利于提高机械装置的工作质量与工作效率。本文主要论述了对常见齿轮失效方式的分析和提高主减速器齿轮质量的改善措施。
关键词:主减速器;失效方式;改善措施;齿轮
前言
在工业高速发展的今天,齿轮在机械传动中的重要性日益提高,其运用的领域也越来越宽广。各类机械设备都需要输出更大的扭矩,在不增加机械设备体积的前提下,还要确保其安全、平稳、可靠。这些都对机械传动齿轮的设计和加工提出了新的要求。所以要了解传动齿轮的失效方式,并找出失效的因素,然后采用合理的方案对齿轮进行维护改善,提高其使用寿命,从而确保机械装置的正常运转。
1常见的齿轮失效形式
1.1轮齿折断
轮齿折断是指轮齿整体或局部折断的拉伤形式。[1]轮齿折断的方式有很多种,一般来说,大体上可分为以下两种:一是疲劳折断。轮齿在承受载荷工作时,齿轮根部会有很大的弯曲应力集中,经过长期的加载,使弯曲应力高于齿轮材料的疲劳极限,疲劳裂纹也随之出现,而且由于循环载荷的作用,裂纹逐步扩大,最终导致齿轮疲劳断裂。二是过载折断。当齿轮传动时,齿轮会受到过大载荷的冲击,并且在极短的时间内所承受的过大的载荷,使得轮齿上的应力超出了齿轮能承受的极限应力,造成过载折断。在机械运行过程中,轮齿断裂十分危险,不但影响机械设施的正常运转,还威胁到人的安全。
1.2齿面胶合
由于齿轮处于高速和较大压力的状态下,在齿轮啮合的区域,会上升到很高的温度,破坏了轮齿间的润滑,使两齿轮的齿面直接触及。当齿轮转动时,两齿面进行滑动,齿面比较柔软的一方顺着运动的方向被撕裂部分材料,造成齿面产生沟痕,这种现象就是齿面胶合。齿面胶合又分为两种,一种是在低速、负载较大的齿轮传动过程中,齿面要承载的压力太大,使两齿轮间润滑油形成的薄膜失去作用,当齿面彼此直接接触滑动,产生撕裂,这种称为冷胶合;另一种为热胶合,发生在高速高负荷的传动中,由于高温和高压破坏了润滑油膜,导致两齿轮齿面互相触及,产生粘连撕裂,从而造成齿轮失效。齿面胶合会造成很大的影响,会引起齿轮的磨损、发热,如果没有合理的散热和润滑方案,将造成齿轮传动不稳定,使齿轮损坏。
1.3齿面点蚀
两齿轮在啮合过程中,啮合齿面区域内各处应力循环变换,并且长时间的受载工作,齿轮材料的接触极限应力被不断增加的齿面接触应力所超越,齿面出现微小裂纹,并最终扩大为金属颗粒,掉落后造成小坑痕,这就是齿面点蚀。齿面点蚀严重时,会使齿面掉落较多的金属材料,从而减小齿面的承受面积,改变齿面接触应力分布,冲击与噪音也随之出现,甚至还会使轮齿断裂。当点蚀面积超过齿高、齿宽的60%时,应该更换新零件,以避免齿轮失效[2]。
1.4齿面磨损
齿轮暴露于外部环境中,又因为有润滑油的存在,很容易使空气中的杂质粘附在齿轮上,齿轮再经过长时间的工作,啮合时相互滑动,在齿面上留下划痕磨损坏;还有一种是齿轮润滑不足,齿面没有产生润滑油薄膜,两齿轮相互啮合时,齿面太过干燥,造成两齿轮干摩擦,导致齿面磨损。齿轮节圆区域是磨损最严重的部位,磨损将毁坏齿轮齿的形状结构,影响机械传动的平稳性。
1.5齿面塑性变形
塑性变形多发生在非硬面齿轮低速、负荷大或过载的情况下。在齿轮啮合过程中,因为齿面承受负荷过大,齿轮间还有滑动摩擦力的作用,相对运动的两齿轮齿面会形成不可恢复的塑性材料流动,这便是齿面的塑性变形。
相互滑动的两齿轮,由于它们滑动的方向和滑动时产生的摩擦力的方向恰好相反,因而主动齿轮在节线区域就容易产生凹槽,从动轮的状况正好与主动齿轮相反,所以从动齿轮会形成凸脊。
2主减速器齿轮的失效形式
主减速器齿轮在工作时,其负载大,工作时间长,受的冲击大,负荷变化频繁。相对于其他机械传动齿轮,主减速器齿轮运行条件十分恶劣。在了解了常见齿轮失效方式后,结合主减速器齿轮的工作特点,可以更快地分析齿轮的失效方式。
按照主减速器齿轮的工作特点可以看出,主减速器齿轮传动的失效方式不会出现上述中所有的齿轮失效,主要有四种易失效的方式:折断齿轮、齿面点蚀、齿面磨损、塑性变形。齿轮折断出现的次数最多,而且发生时往往没有征兆,也无法进行预测。而另外三种失效形式需要很长的时间才会出现,对机械的影响反而较小,并且我们可以通过定时更换齿轮零件来进行预防。
对大量主减速器中齿轮断裂情况分析,由疲劳带来的断裂可高达80%以上。[3]在主减速器齿轮中,齿轮根部最容易因为载荷超过弯曲疲劳极限而发生断裂。针对疲劳断裂这一失效形式,我们需要从材料、润滑维护、加工工艺等方面去提高齿轮的弯曲疲劳强度和抗弯曲能力,以防止齿轮的失效。
3改善措施
3.1合理的选取材料
对于齿轮材料的选择,需要结合齿轮在上述中的失效方式分析。不同工况应该选择不一样的齿轮材料。在低速或中速,齿轮所受载荷较小,通常选用中碳钢,如等钢材;而在中速以及高速、负荷大的情况下,因为齿轮所受的冲击比较大,常采用低碳合金钢或合金调质钢,如等钢材。能够在不同工况下,选择合适的材料,对于防止齿轮失效具有重要意义。
3.2优化齿轮润滑
机械出现故障有一半的是因为润滑不足或润滑不当导致的,因此,齿轮润滑对改善齿轮工作状况十分重要。在齿轮传动中,润滑液起着润滑和冷却齿轮的作用。选取传动齿轮的润滑油,要将传动齿轮的工作条件考虑进去,对于开式齿轮传动,选取粘度较大的润滑脂,而闭式齿轮传动,则选择低粘度的润滑油。齿轮工作环境温度、齿轮的温度等都会对齿轮润滑产生影响,因此,齿轮润滑的优化需要综合考虑。
3.3优化齿轮热处理
不同材料需要采用不同的热处理工艺,常用的齿轮热处理方法有表面淬火、渗碳硬化、氮化、调质、正火。低碳钢,如钢等,常运用渗碳淬火处理的方法。这样不仅保证了齿面的硬度,还使齿轮内部有很高的韧性,提高了齿轮的耐磨性。而中碳钢采用表面淬火、调质工艺的较多,如钢等。经过热处理工艺后由于硬度不高,有利于齿轮的精加工,并且在抗齿面胶合、抗疲劳点蚀、齿轮的耐磨性等方面都有所提升。
3.4优化设计
设计方案的优劣直接影响着齿轮在工程中的应用。在齿轮设计中,首先要满足齿轮传动能力[4]。如针对轮齿断裂问题,在设计时应选择合理的齿宽和模数,并对齿轮进行抗弯疲劳强度的优化计算,以提高齿轮抗断裂的能力。多使用绘图软件对齿轮结构进行全面分析计算,并结合齿轮所处工况,选用符合设计方案的材料,并对材料采用适当的热处理工艺,改善齿轮,防止齿轮失效。
4总结
齿轮传动失效的因素有许多,从最初的设计图纸,到后来的材料选择,再到制造,最后到实际的工作环境,每一个程序不准确也许都会造成齿轮传动的失效。我们已经知道了主减速器齿轮的重要程度,在今后解决其失效问题时,要按照齿轮实际的工作情况实施处理,具体情况独立分析,努力优化齿轮,降低齿轮的失效的几率。
参考文献:
[1]孙琳.传动齿轮的失效统计分析及防止失效措施[J].河南科技,2014.10
[2]张赓.机械工程中齿轮失效常见的几种形式及预防措施[J].农家科技,2013,.
[3]杨佳.重型车主减速器齿轮强度与疲劳寿命分析[D].山东:青岛科技大学,2015.
[4]王小方.机械传动齿轮失效形式研究[J].新商务周刊,2019.08
作者简介:张伟岩(1998-08-12),男,汉族,籍贯:河南省洛阳市伊川县。