齿轮修形技术 圆柱齿轮减速机齿轮的失效分析与预防

齿轮修形技术 圆柱齿轮减速机齿轮的失效分析与预防

晏正国

弗兰德传动系统有限公司 天津市 300400

摘要：在机械工程中，齿轮传动是一种应用最广的机械传动形式,具有传动效率高、结构紧凑等特点。但由于不可避免地存在制造和安装误差, 齿轮传动装置的振动和噪声往往较大, 特别是在一些大功率传动装置以及对舒适要求较高的传动装置中, 振动和噪声问题尤为突出。齿轮修形是降低齿轮传动装置振动和噪声的一种成熟而有效的技术, 近年来获得了越来越广泛的应用。

关键词：齿轮修形技术；圆柱齿轮减速机齿轮；

前言：对圆柱齿轮减速机齿轮的失效形式进行了分析，针对点蚀、磨损、胶合及断齿等失效形式提出了相应的预防措施。

一、圆柱齿轮减速机齿轮典型失效特性分析

1.断齿。断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。压榨辊、烘缸传动所用圆柱齿轮减速机，其齿轮多由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。当存在齿面加工精度较低或齿轮安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿，而局部断齿总是发生在轮齿的端部。

2.齿面点蚀。齿面点蚀也是圆柱齿轮减速机齿轮常见的损坏形式之一，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环所产生的变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即为齿面点蚀。点蚀情况一般有两种：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）。通常只发生在软齿面（HB ＜ 350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。②扩展性点蚀。发生在硬齿面（HB＞ 350） 上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。

3.磨损。齿面的磨损是由于金属微粒、尘埃和沙粒等进入齿轮的工作表面所引起的。齿面不平、润滑不良等也是造成齿面磨损的原因；此外，联轴器不对中、联轴器磨损以及扭转共振等，会在齿轮啮合点引起较大的扭矩变化，或使冲击加大，将加速磨损。齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅使振动和噪音加大，而且很可能导致断齿。

4. 齿面胶合。齿面胶合（划痕） 是由于啮合齿面在相对滑动时油膜破裂，齿面直接接触，在摩擦力和压力的作用下接触区产生瞬间高温，金属表面发生局部熔焊粘着并剥离的损伤。齿面胶合往往发生在润滑油黏度过低、运行温度过高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度过高、接触面积过小、转速过低（油带不起来） 等条件下。齿面发生胶合后，将加速齿面的磨损，使齿轮传动很快地趋于失效。

5. 轴承的失效及联轴器对中。联轴器的对中以及轴承的失效也是造成齿轮损坏故障的重要原因。当齿轮箱轴承出现故障时，常会产生有规律的冲击，当动能较大，联轴器对中不良，轴承会出现严重故障，此时会加速齿轮的损坏，使齿轮及早失效。

二． 圆柱齿轮减速机齿轮故障的预防

1.新技术在减速机使用中的运用。减速机的设计优化在不断发展，公司根据压榨辊、烘缸的工作状况，选用自带冷却系统的减速机，也使减速机的使用寿命不断延长。近年来在线监控诊断技术在运行设备中不断使用，包括简易诊断方法（也就是通过声音诊断法、振动诊断法以及冲击诊断法和精密诊断方法（也就是时域分析、频域分析和倒频谱分析等），可及时同样圆柱齿轮减速机在使用在线监控技术时，通过对各种特征的技术分析，可及时发现温度、振动、噪声、运行曲线等方面的变化，迅速判断齿轮是处于正常的工作状态还是异常的工作状态，对于异常工作状态的齿轮采取相应的措施，能及时把出现的设备隐患消灭在萌芽状态，避免由于问题发现不及时而造成设备事故的发生。

2.合理选型。不同的造纸机车速，要选用不同形式的圆柱齿轮减速机。一般情况下，硬齿面减速机的使用寿命相对较长，能选用硬齿面减速机的尽可能使用硬齿面减速机；此外，减速机的功率要合适，杜绝小马拉大车的现象。安装圆柱齿轮减速机时，要保证各项安装精度，联轴器的对中精度要符合要求，齿轮和轴承的安装精度更要达到要求。有效的润滑能减少齿轮很多故障的发生。首先要保证良好的润滑，良好的润滑一般不会产生显著的磨损。对于低速传动宜采用黏度大的润滑油，而高速传动则应采用含有抗胶合添加剂的润滑油。定期更换润滑油，防止油脂变质造成齿面快速磨损。因此造纸车间根据压榨辊、烘缸速度的不同，以及冬夏环境温度的不同，选用合适的润滑油，可有效延长减速机齿轮的使用寿命。另外，减速机的润滑方式对延长齿轮的寿命也具有非常大的作用，对高速重载荷的减速机，可采用强制润滑的方式，能保证齿面及轴承处于良好的润滑状态。保证减速机密封良好密封良好的减速机，不但可以保证不会产生漏油现象，还能防止灰尘、水等异物进入到减速机内，避免油品污染失效出现齿面磨损现象。选用新型密封材料，无孔端盖从使用普通密封胶改为采用优质密封胶，有孔端盖处从使用普通单唇骨架橡胶油封改为采用双唇丁氰油封或多唇油封，有效避免了减速机油品的泄漏及异物进入减速机造成油品的污染问题，延长了齿轮及轴承的使用寿命

3.齿轮修形技术。由于主动齿轮(大齿轮)支撑跨距小,齿轮直径大,弯曲、扭转变形小,因此,主动齿轮螺旋角不修形。被动齿轮(小齿轮)支撑跨距大,弯曲、扭转变形大,因此,只对被动齿轮进行螺旋角修形。被动齿轮螺旋角修形量分别为0″、30″、46″、60″时齿向载荷的分配情况。在螺旋角没有修形的情况下(修形量为0″),载荷偏向转矩输入端;随着修形量增大,偏载现象逐步改善,在修形量为46″的情况下,承载最大的轮齿上载荷最小,载荷沿齿宽对称分布,螺旋角修形量取得最优解;再增大修形量,载荷偏向轮齿另一端。齿廓修形的参数包括修形量、修形长度和修形曲线。例如齿轮增速箱输出级宽斜齿轮副传动，应用有限元接触分析技术计算了未修形和不同修形参数下各啮合齿对上载荷分配情况。在小齿轮齿顶修形量为0.025 mm,齿根修形量为0.05 mm,修形起点为单双齿啮合交替点, 修形曲线采用二次曲线的情况下,各啮合齿对上载荷的分配情况与未修形时相比,进入啮合位置载荷下降约20%,退出啮合位置载荷下降约40%。增大修形量,啮入和啮出位置轮齿上载荷还将进一步降低。因此,齿廓修形可以显著改善齿轮传动的平稳性。

结束语：圆柱齿轮减速机齿轮的损坏在减速机故障中占有绝大比例，其主要的失效形式就是点蚀、磨损、胶合、剥落及断齿，为了防止这些失效形式的发生，除设计制造因素外，我们要正确合理选用减速机，不断采用新技术、新工艺、新材料，对减速机进行正确的安装、维护、保养及润滑，才能减少故障的发生，延长减速机的使用周期，节约维修费用，保证设备的正常运行。

参考文献：

[1]尚振国,王华.船用齿轮修形接触应力有限元分析[J].大连水产学院学报, 2018.

[2]常山,徐振忠.船用传动齿轮齿面接触应力分布及修形研究[J].舰船科学技术, 2019.

[3]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京:机械工业出版社,2019