关于减速机齿轮传动失效分析

关于减速机齿轮传动失效分析

王雪亮

SEW-传动设备（天津）有限公司天津300457

摘要：随着社会工业化程度的加深，齿轮在传动件中的应用越来越多，作为传动件中的重要组成工具，对其选择与应用需要慎重思考，对于齿轮的类型进行研究，掌握选择原则，以便适应较为复杂的工况条件，保证齿轮传动的有效性。本文主要对减速机的齿轮传动的失效情况进行研究，给出保持减速机齿轮传动有效性的建议。

关键词：减速机；齿轮传动；失效

一般来讲，齿轮自身的轮辐、齿圈与轮毂等其他部分的尺寸和结构都是根据以往的使用和工作经验来进行设定并确定的，所以，其承载能力相对来讲比较强，且在实践过程中也基本不会发生设备失效的情况。因此，所谓的齿轮传统失效，其主要指的就是轮齿出现的失效情况。由于影响轮齿失效形式的因素较多，且不同因素相应的处理方案也带有一定的差异，对此，本文以常见的轮齿失效形式为立足点，就其处理方式进行全面研究分析。

1.减速机齿轮的失效分析

齿轮的失效形式由多种因素综合造成，且随着齿轮材料、热处理、运转状况等因素的不同而不同，其失效的主要形式有：①齿面耗损，包括磨料磨损、腐蚀磨损、胶合等；②齿面疲劳，包括点蚀、初期点蚀、剥落、表层压碎等；③齿面塑性变形，包括压痕、轮齿锤击塑变、呈波纹折皱等；④轮齿折断及裂纹等。

引起齿轮的失效的因素有许多种，可以从以下几个方面来分析：

设计因素：设计品质对产品的品质有着决定性的作用。某雷达产品的天线俯仰机构中，小齿轮与轴通过键联结，由电机带动与大齿轮啮合，从而完成丝杆的伸缩运动。由于设计时小齿轮键槽开在齿根方向，齿根部强度薄弱，在受到短时过载的冲载荷作用时，轮齿承受的应力超过其极限应力，从而导致轮齿过载折断。找出原因后，经过重新设计计算，用轴齿轮代替原来的小齿轮，取消键联结方式，保证了齿根部的结构强度要求。

材质因素：齿轮的材料应根据其用途及工作条件来选择：速度较高的齿轮传动，齿面易产生点蚀，应选用高硬度材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿易折断，应选用韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿既易折断又易磨损，应选用机械强度大，经热处理后齿面硬度高的材料。

制造工艺因素：在齿轮加工过程中，由于机床、刀具、夹具和齿坯在制造、安装和调整时不可避免地存在一些误差，从而形成了齿轮的运动误差、平稳性误差和齿面误差，使齿轮的传动精确度降低。一对齿轮在相互滚碾冲击作用下，接触应力过高，传动啮合不良，易造成齿面塑性变形。根据齿轮材料，制定合理的加工、淬火等工艺规程，并严格控制工艺过程，可以有效地避免淬火裂纹及磨削裂纹的出现。

装配调试因素：由于安装装配误差，在机器长时间运作过程中，也会引起齿轮失效。如两齿轮装配中心距过大时，会造成齿顶部接触，使传动精度下降或产生冲击；中心距过小时，会造成齿根部接触，在运动中产生干涉现象；在安装过程中，电机轴和小齿轮的轴线之间的同轴度误差，小齿轮轴线和大齿轮轴线之间的平行度误差超出误差范围时，齿侧间隙和齿顶间隙在全齿宽上下不相等，重合度变小等，都对轮齿的正确啮合产生影响，在运行中产生冲击和振动。若未及时发现进行调整，将会造成齿轮副振动，引发小齿轮断齿。

运转维修因素：机器在使用过程中，若出现过载运转、操作失误、维修保养不善等因素，都会使失效的机率提高，增加了事故的可能性。另外，在齿轮传动中，润滑条件的保证也是一项重要因素。润滑条件包括：润滑剂选择是否合适、润滑方法、冷却加热、过滤系统是否合理可靠等方面。

2.齿轮失效解决措施

2.1齿轮断齿造成失效

齿轮断齿造成的失效是整个机械工程中最为严重的情况，主要包括过载折断、疲劳折断随机折断等，对于过载折断来说，是指齿轮受到一次或者多次严重过载时发生的断齿，这种情况下，齿轮的断口一般位于齿轮根部，断口一般很平直且粗糙。疲劳折断是指齿轮在长时间高循环状态下使得齿根部位产生疲劳裂纹，出现折断，断口可以划分为疲劳断口面和最终断口面，疲劳断口区域内看不到塑性变形，疲劳折断可能发生在齿轮的端部。随机折断一般也发生在齿轮根部，但是特殊情况也会出现在其他部位。对于防范齿轮折断的措施有很多，可以增大齿根圆角半径，消除这一部位的加工刀痕以便减少齿根的应力集中，还可以增大轴及支撑物的刚度，以便减轻局部的受力程度，还可以对轮齿进行喷丸、碾压等冷作处理以便提高齿面。

2.2齿面磨损无法传动

在减速机齿轮传动过程中，对于齿面的磨损是不可避免的，齿面磨损还包括粘着磨损、磨粒磨损、擦伤、腐蚀磨损和烧伤。对于粘着磨损来说主要是指润滑，如果润滑油层完整且厚度相当厚那么金属之间的接触就会减小，也就不会发生磨损。如果油膜温度和压力相同，那么油的粘度越高，磨损越小，在低速、重载、极端温度等情况下，油膜可能会发生破坏情况，这种情况下，磨损发生在除了节圆的大部分轮齿面上。可以通过提高齿面硬度、降低齿面粗糙度，增加油的粘度来改善这种磨损。磨粒磨损和擦伤主要是指润滑剂不干净存在杂质或者是指在运行过程中金属之间的接触产生磨屑，导致减速机的齿轮发生磨损，使得传动工作失效。如果齿轮的对中好，擦伤不是由于池面上鼓励的微凸体造成的，那么整个齿轮的磨损会扩展到大部分区域。腐蚀磨损是指润滑剂中的一些物质与齿面的金属发生化学反应，造成金属腐蚀。

2.3齿面点蚀与齿面胶合

齿轮在传动过程中，接触面上各点的接触应力呈现脉动循环变化，经过一段时间就会由于接触面上的金属疲劳产生裂纹，裂纹发生扩展就会使得金属剥落，形成点蚀。这种情况的防止可以通过提高齿面硬度，降低表面粗糙度等措施实现。齿轮在高速、大载荷或者是润滑失效的情况下，会使得齿面形成局部高温，接触面会出现胶连的现象，这种情况称为胶合，为了防止胶合应该提高齿面硬度和光洁度，对于不同型号的齿轮采取不同的钢种，正确选用润滑油是减轻齿轮失效的重要措施。

2.4齿面塑性变形引起的失效

塑性变形主要包括碾压、锤击变形引起的起波纹和脊状延伸，主要是由于齿轮材料较软，使得沿摩擦方向出现金属流动，齿轮工作环境中的温度、湿度变化也会造成齿面的塑性变形，可以选用粘度较高的润滑油来防止塑性变形也可以提高齿面硬度。

结语

齿轮种类繁多，消耗量大，加工工序复杂，成本较高，因此，有效延长齿轮使用寿命，不仅能减少减速机故障，为生产赢得宝贵时间，而且能减少生产备件消耗，降低生产成本，减轻工人劳动强度。

参考文献：

[1]潘文峰、张达.离心设备用行星齿轮箱的失效分析。〔TH〕《机械传动》CSCD北大核心2010（3）62-63.

[2]朱旭辉.行星减速器齿轮机构断裂失效分析。〔TF〕《机电工程技术》2009（9）93-96.