齒輪失效原因分析及其預防措施

　　齒輪是指輪緣上有齒輪連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件。19世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現。隨著生產的發展，齒輪運轉的平穩性受到重視。齒輪種類眾多，工作環境不同，因此有不同的失效形式，失效類型由失效齒輪的形貌和失效過程或機理確定的。

　　從近幾年出現的機車配件失效狀況和失效類型來看,有的配件在規定的使用期內發生早期失效,造成損失,個別配件失效問題長期得不到解決，引發慣性事故。齒輪傳動是機械傳動中很普遍的一種。齒輪傳動用于傳遞任意兩軸間的運動和動力。其圓周速度可達到300m/s，傳遞功率可達105kW，是現代機械中應用最廣的一種機械傳動。因而，齒輪質量的好壞直接影響了設備的使用范圍和使用壽命。齒輪的失效是造成機器故障的重要因素之一,其運行狀況直接影響整個機器或機組的工作。所以必須對斷裂齒輪進行失效分析,對主動齒輪的制造工藝進行改進研究,提高齒輪的綜合機械性能和運行壽命。

　　齒輪失效分析

　　齒輪的主要失效形式有齒面磨損、輪齒折斷、輪齒變形等，其中前兩者最為常見。

　　齒面磨損

　　齒面磨損是指嚙合面之間因摩擦導致摩擦面逐漸有微小顆粒分離出來，形成磨屑，并且反復進行， 使齒輪表面不斷發生尺寸變化和重量損失。齒面磨損嚴重時，齒廓損毀，柴油機的振動和噪聲增大，油溫上升等。此外，齒面磨損后齒厚變薄可能導致輪齒抗彎曲強度不足而斷裂。齒輪的磨損不可避免。對于正常運行的齒輪，其磨損過程一般包括跑合磨損、穩定磨損和急劇磨損3個階段。失效分析工作中的齒輪磨損通常是指異常磨損，即穩定磨損階段過短或不存在，主要呈現為急劇磨損現象。齒輪磨損失效的常見形式有：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損，其中前三者是在滑動條件下產生的，而疲勞磨損則產生于滾動或滾動+滑動條件下。 

　　(1)粘著磨損。粘著磨損是指齒面金屬在一定壓力下直接接觸發生粘著，同時隨著齒面的相對運動，較軟輪齒的表面金屬被較硬齒面撕落，在齒面滑動方向上形成溝紋，其發生部位在節圓附近的齒頂面上。粘著磨損的摩擦機理如下：摩擦副實際表面存在微小凸起，當摩擦副雙方接觸時，真實接觸面的局部應力足以引起塑性變形。若接觸面潔凈且未受腐蝕，則局部塑性變形會使接觸面上的原子彼此十分接近，發生原子間的鍵合作用，產生強烈的冷焊現象(或稱粘著)。后續的滑動剪斷粘著點，并轉移到一方齒面或脫落形成磨粒。粘著—剪斷、轉移—再粘著循環進行，構成粘著磨損過程。此類失效事故在高速重載或低速重載工況下均可能發生。

　　導致粘著磨損的原因主要包括：潤滑不足,潤滑油溫過高,摩擦副表面無氧化膜,過載等。通過采用良好的潤滑方式、限制潤滑油溫以及使用抗膠合添加劑的合成潤滑油,可以防止或減輕事故發生。同時,適當的跑合可以增大齒面的實際接觸面積、使齒面產生加工硬化，并且在齒面形成牢固的氧化膜，這些均可提高齒輪的抗粘著磨損能力。另外，加強維護和保養，避免過載，也是預防失效事故的重要措施。 

　　(2)磨粒磨損。磨粒磨損是指嚙合齒面之間存在硬質粒子而產生的磨損。實際工作過程中,齒輪與軸承等零件因摩擦磨損產生的微小顆粒、焊接飛濺物、氧化皮、銹蝕物和其它類似的金屬和非金屬雜物進入齒輪的工作面,由于齒面間存在相對滑動,這些外來顆粒起著磨粒作用,產生磨損。     

　　磨粒磨損主要發生于開式傳動齒輪,閉式傳動齒輪由于密封和潤滑條件較好,通常不會發生磨粒磨損,但同樣應該注意潤滑油的清潔和更換,特別是新齒輪跑合后。若未予清洗，則跑合過程中產生的金屬屑污染潤滑油，也可能造成磨粒磨損。 

　　(3)腐蝕磨損。齒輪運行時，在主、從動齒輪接觸過程中某一瞬時在齒面上的特定區域分別受到拉應力、壓應力、剪切應力等。在一定的循環次數后，由于疲勞作用而在輪齒表面產生輕微裂紋，潤滑油進入裂紋后產生高壓，促使裂紋長大并連接起來，使小塊金屬從表面上掉下來，形成的小坑即為點蝕。如果表面疲勞裂紋向四周擴展得較遠較深，或者一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大塊金屬脫落的現象即為剝落。

　　(4)疲勞磨損。當兩齒輪面作滾動或滾動+滑動摩擦時，在交變接觸應力長期作用下,齒面材料因疲勞損傷導致局部區域產生小片或小塊狀金屬剝落現象，即為齒面疲勞磨損，或稱接觸疲勞。

　　齒輪疲勞磨損的宏觀特征：節圓線附近的齒面出現許多針孔狀或豆狀凹坑,有的凹坑較深,呈貝殼狀,存在疲勞裂紋發展紋理。疲勞磨損的根本原因是齒面最大接觸應力大于材料的接觸疲勞極限，隨著載荷的多次重復，輪齒表層產生微裂紋并擴展，最終擴張至齒面形成剝落塊。

　　預防措施 

　　(1)嚴格控制進廠鋼材的質量，對所需鋼材的化學成分、低倍組織、淬透性、力學性能等指標提出具體要求，并加大抽檢量。 

　　(2)提高齒輪強度，選擇合適材料并增加“開溝調質”工序。提高表面淬火熱處理工藝水平，杜絕熱處理內裂。使齒輪淬硬層與基體組織間有過渡區域(防止組織突然過渡);防止偏載運轉嚴格控制軸瓦間隙，保證齒面接觸精度，減少軋制過程中齒輪軸對軸瓦的沖擊。運用現代手段和方法，對關鍵零部件進行無損探傷檢查。 

　　(3)比較合理的齒輪工藝過程為：煉鋼(爐外精煉) →鍛造→鍛后一次退火→探傷、檢驗→粗車→探傷→開溝調質→探傷、機械性能試驗、金相檢驗→半精車→精車→滾齒一次跑合→表面淬火、回火→探傷→二次跑合。 

　　(4)材料選用合金鋼材料如40Cr、42CrMo等代替45鋼，因為合金鋼的淬透性和力學性能要比45鋼好。對于模數較大或軸徑較粗的工件則改用綜合性能好的20CrMnTiH鋼。