齿轮失效分析

附录二齿轮失效分析齿轮失效分析齿轮是传递运动和动力的重要零件齿轮种类较多工作环境不同因此有多种不同的失效形式失效类型由失效齿轮的形貌和失效过程或机理确定的失效机理确定后就可以确定失效原因提出相应的对策齿轮失效类型可以分为四大类磨损表面疲劳塑性变形和折断每一大类还可细分为几类进而使分类更加精细和明确辨别特征失效的类型可见表一失效的特征部位及对策见表二齿轮的失效损伤除了以上类型和特征外还可有其他形式的损伤如随机断裂各种材质缺陷造成的损伤加工工艺不当造成的淬火裂纹磨削裂纹等但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的因此在表二中未予列出表一齿轮失效的类型分类失效类型磨损轻微磨损中等磨损过度磨损磨粒磨损腐蚀磨损轻微胶合中等胶合破坏性胶合局部胶合表面疲劳早期点蚀破坏性点蚀剥落塑性变形碾击塑变鳞皱起脊齿面塑变折断疲劳折断过载折断1表二齿轮损伤特征原因及对策损伤特征部位损伤原因对策磨损齿轮在啮合过程中轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象1轻微磨损接触表面上的微凸体逐渐磨平直至出现非常光滑的表面为止2中等磨损节线上下齿面材料都有一定磨损节线位置呈现出一条近于连续的线3过度磨损齿廓形状破坏磨损率很高节线附近有点蚀传动有噪音和振动4磨粒磨损轮齿接触表面沿滑动方向有较均匀的条痕多次磨擦条痕重叠5腐蚀磨损齿面上呈现均匀分布的腐蚀麻坑齿面沿滑动方向伴有腐蚀痕迹轮齿接触表面的粗糙度与润滑粘度齿面工作速度工作载荷不匹配齿轮在边界润滑状态下工作润滑系统中有小量的污染杂质润滑系统和密封装置不良系统有严重振动冲击载荷齿面间异物引起磨粒磨损在开式齿轮传动中更为严重轮齿材料发生电化学反应由磨擦冲刷形成腐蚀磨损高温时极压添加剂形成磨蚀介质此为轻微磨损过程可适时更换润滑剂提高润滑油粘度降低油温加入适当的添加剂加强油液清洁度管理对污染杂质增设过滤装置适时更换润滑油改善润滑方式提高润滑油粘度提高工作速度减轻载荷跑合后注意清洗适时换油开式齿轮箱采取适当防护防止油液污染添加剂的成分和含量适当建立合理的工艺规程胶合相啮合的齿面金属在一定压力下直接发生粘着随着齿面的相对运动使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象1轻微胶合靠近齿顶或齿根的齿面上沿滑动方向有极轻微而细密的伤痕一条喑带有时要借助显微镜才能见到痕迹2中等胶合齿顶部齿根部均有滑动方向的粘撕伤痕较软齿面更明显3破坏性胶合沿滑动方向呈现明显粘撕痕迹齿顶有明显的材料移失迹象齿廓毁坏振动噪音增大4局部胶合局部区域有齿面胶合的现象并不延伸扩展运转初期润滑条件与工作情况不协调或轻微干涉存在而引起齿轮啮合处局部温度过高破坏润滑油膜润滑不充分工作温度过高齿面接触应力或速度过高引起的过热由于安装制造误差引起载荷集中鼓形齿修形量过大齿宽较大局部温升引起变形控制起动过程的润滑及载荷排除干涉的起因降低油温使用极压添加剂的润滑油降低齿面表面粗糙度降低载荷及速度保证一定条件下良好的润滑采用极压或特殊高粘度的润滑油安装精度适当修形量适当散热应均匀油的冷却与供油部位应适当点蚀齿面呈点状的齿面疲劳损伤1早期点蚀有较小数量不多的麻点2破坏性点蚀靠近节线的齿根表面上麻点不断扩展噪声增大啮合齿面局部过载齿形误差齿面凸凹不平轴线歪斜造成偏载齿面接触应力过大节线附近滑动速度方向变化油膜不易形成提高齿形精度精心跑合提高齿面硬度降低粗糙度改善润滑剥落齿面上材料成片状剥离2剥落形状不规则的片状剥落坑较浅平而大的坑硬齿面上过高的接触应力作用疲劳裂纹扩展形成材料缺陷齿面软硬的过度层中裂纹的延伸扩展承载力不足应考虑重新设计提高轮齿芯部硬度减小应力集中塑性变形在过大应力作用下轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成齿面和齿体的变形1碾击塑变在齿顶棱和齿端出现飞边齿顶滚圆节线附近有沟槽脊棱2鳞皱齿面塑变呈鱼鳞状皱纹并垂直于滑动速度方向3起脊整个工作齿面上沿滑动方向形成明显的脊棱4齿体塑变轮齿歪扭齿形剧变硬齿面轮齿伴有变色现象滚碾冲击作用接触应力过高轮齿材料硬度过低动载荷太大以及润滑不良润滑不良及高压强作用齿面爬行的结果低速度振动引起齿面塑性流动常发生在重载的蜗杆传动中准双曲线齿轮传动中高接触应力和低滑动速度不良润滑材料的塑性流动润滑失常造成剧烈温升引起轮齿热塑变形过大载荷引起冷塑变形减小接触应力提高材料硬度降低动载荷采用极压添加剂和高粘度润滑油保证制造安装精度提高齿面硬度改善润滑提高速度控制齿面的振动提高材料的硬度采用粘度大有极压添加剂的润滑油保证润滑油的清洁度充分的润滑提高润滑油的粘度对冷塑变形应提高材料的屈服极限轮齿折断齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂1疲劳折断起源于齿根处的疲劳裂纹扩展造成的断齿2过载断齿断口较粗糙无疲劳断裂的特征高的交变应力多次作用的结果齿根圆角半径过小表面粗糙度过高滚切加工时有损伤材料中有夹杂物残余应力影响短时意外过载造成严重应力集中动载荷过大较大硬质异物进入啮合处修改齿轮几何参数降低齿根表面粗糙度正确的喷丸处理适当的热处理消除残余应力避免突然的意外过载设置安全装置表三齿轮失效分布图疲劳24撞击15麻点剥落渗碳层压碎20外物落入啮合区10过量磨损擦伤划伤18其他133图一因润滑不良或啮合不正确引起的粘附磨损图二齿面的中等磨损使节线变得清晰可见箭头所示多数由润滑油中磨料引起图三由于润滑不良和重压力下造成金属与金属直接接触而产生该伤图中磨损表面的水平线是节线图四划伤的早期阶段在齿轮上部显示出斑点的覆霜似样式损伤在这个阶段是轻微的图五破坏性的刻伤如图重的刻伤发生在节线以上或以下通常损伤会迅速发展至齿轮不能使用4图七一种磨料磨损特别严重的形式轮齿的大部分由于润滑剂中的磨料磨粒而损坏图六一种磨料轻微磨损的形式图八由润滑剂里的添加剂和污染物引起齿面的腐蚀磨损图九齿轮表面由于受化学腐蚀而损伤一般因润滑油添加剂等引起对齿面影响极大并其发展趋势越来越严重图十齿面麻点由很小的坑穴组成这些麻点经过起初阶段后经常会自痊变好图十一麻点产生在斜齿面的一端原因是中心线稍有失调麻点慢慢向中部进展表面变抛光说明载荷沿齿面分配变均匀这种麻点无害5图十二图中有害的麻点是由过载造成的图十三图内所示是由麻点毁坏的齿面图十四齿根发生麻点其原因是接触应力过大和啮合区域不正确过载是主要原因破坏了图十六齿面产生严重的麻点和剥落在相邻齿面上齿面被彻底损坏图十五左图箭头所示是齿面剥落的第一阶段在齿的接触区域有扩展的裂纹右图所示当大片碎片脱落时齿面就彻底6图十七图中所产生的齿面纵向裂纹是硬齿面的渗碳层压碎裂纹从渗碳层深部向表面延伸裂纹进一步发展将产生大块碎片从表面脱落图十八渗碳层初始形式见左侧示图最后阶段剥落形式见右侧示图初步分析可以判断为过载造成详细分析应作金相分析图十九图示是典型的疲劳损坏其特点是有光滑的区域过载和振动是造成损坏的原因图二十图示小齿轮中箭头所示三个齿发生疲劳损坏其余齿面是轻微的磨损图二十一图示油泵齿轮因疲劳而断裂断裂从齿根圆角处延伸到齿轮中心孔齿面还伴随有严重磨损7图二十二齿根的疲劳裂纹见图示箭头所示造成缺陷原因应进行金相分析图二十三由于过度重复重载引起齿轮折断在图示A的部位可以看到因疲劳裂纹首先折断的部位断面光滑似天鹅绒般的区域图二十四疲劳折断的齿轮见图示箭头指明方向表示裂纹从左边缘开始靠近齿受压侧的底部箭头指示部位是裂源旁边区域是受到充分的磨擦裂纹起初发展缓慢图二十五图所示断齿和另一齿上的裂纹断齿的断面不是光滑的说明是一个瞬间的突然断裂图中可以观察到断面含有显著的夹渣带材料含杂质它的作用象刻痕一样促进缺陷的发展图二十六齿面淬硬的齿轮的疲劳断裂始于齿根处出现在图示箭头所指的齿的两侧进一步向齿根的中部发展而造成断裂金相分析可有助于进一步找出齿断裂的深层原因8图二十七图中齿顶已碎掉过载产生的过大应力引起裂纹进一步的疲劳造成裂纹的发展直至齿顶破碎如果此过程在短时间内发生表明齿面硬度过高可通过金相分析来验证图二十八图示渗碳齿轮角部已被敲掉表明齿角在破裂之前受到多次重复的冲击撞击此时不适当的撞击是造成破坏的原因图三十图中所示的表面淬硬偏轴伞齿轮产生的齿面波纹皱波纹起棱冷变形是高负载齿轮上出现的典型现象图二十九淬硬正齿轮断面上呈灰色颗粒状外观的是典型的撞击缺陷造成而疲劳破坏断裂区有明显的光滑外观这两者有显著区别图三十二图示是中等硬度齿轮发生冷变形的过程情况此类齿轮较硬化齿轮更易产生齿面金属移动现象图中可以看出材料已卷到齿顶边上造成齿型损坏重载是引起金属移动的主因图三十一表面淬硬齿轮有起棱是由于过载造成的9图三十三中等硬度的齿轮由于碾压与撞击造成表面变形开始时由于超载造成初步损伤长期超载使用硬度不够造成变形图三十四剧烈过大的接触应力使齿轮表面产生塑性流动形成波纹在齿面中心部位还有表面材料碎裂的剥落产生过载是主因图三十五渗碳齿轮在节线附近产生麻点沿节线的波纹和齿顶轻微的粘附磨损显著可见超载是主因图三十六图中齿轮啮合接触部分已全部损坏重载和润滑不良是主因图三十七小齿轮由于严重的麻点和粘附磨损而损坏过大的超载和润滑不足是产生此类缺陷的原因图三十八齿轮因敲击和疲劳而断裂严重超载和润滑不足引起此损坏10图三十九四十因调整不当引起锥齿轮的齿断裂图三十九是因为锥齿轮的齿轮踵部载荷过大造成原因是齿侧隙过大图四十的折断是齿轮尖部载荷过大造成原因是侧隙过小同时如振动载荷也可能造成上述损坏甚至整个环状轮齿断裂图四十一:因润滑不充分齿轮之间的不正常磨擦产生热使金属软化使齿面擦伤磨损的小齿轴轴承使小齿轮产生轴向位移造成齿环接触不正确此类损坏扭矩过大是原因之一图四十二环齿出现变色和变形原因是润滑不充分或油品不正确表面过分摩擦和出现过热是原因图四十三齿轮表面的肿包芒刺和隆起是出现在精加工后的齿轮由于放置粗心使齿的棱边碰伤而致11图四十四右侧图是正常齿轮啮合情况左侧图和中位图都是齿接触不良好的啮合情况其接触面集中在齿面的一端会造成齿轮高速度运转时的尖叫噪音但此类磨损一般不会造成进一步的损坏事故12