齿轮失效

四川大学制造科学与工程学院第1页共13页第一讲齿轮传动的失效原因及解决方法1．齿面齿轮的疲劳失效（点蚀失效和疲劳剥落）齿面疲劳可以划分为点蚀和剥落两种基本形式。在过大的当量接触剪应力作用下，表面层发生塑性变形，塑性变形逐渐积累，导致微观晶裂并形成原始裂纹，裂纹向齿面方向按疲劳裂纹扩展规律扩展，最后材料从齿面脱落或形成点蚀，这就是齿面疲劳。齿面产生点蚀的首要条件是存在微裂纹。裂纹可以因机械加工而产生于表面；也可以因材料组织不均匀(存在夹渣、气孔和硬质颗粒等)以及局部剪切应力过大而产生于表层或次表层。在齿轮运转过程中，裂纹在反复受载下不断扩展而导致点蚀，并可延伸到表面而引起脱落。齿轮的传动特点是诱发齿轮点蚀的主要原因。齿轮转动时，为了保持啮合的连续性，当一对齿轮的齿顶进入啮合状态时，另一对齿轮则逐渐退出啮合。一方面当轮齿靠近节线附近啮合时，由于同时啮合的齿对数少，因此当量最大剪应力出现在四川大学制造科学与工程学院第2页共13页节线附近的齿面次表层处，即节线附近的接触强度最薄弱；另一方面，当轮齿在节线附近啮合时，相对滑动速度方向发生变化。在节线处，齿面滑动速度为零，润滑油流速低，不易形成油膜，因此在节线附近最容易发生点蚀。齿轮在运转过程中，在接触压力作用下产生的高压油波以极高的速度进人裂纹，对裂纹壁产生强大的流体冲击作用；因此提高润滑油的粘度可以减缓冲击并延缓裂纹的扩展；与此同时某一齿轮表面可以将另一齿轮表面的裂纹口封闭，从而使裂纹内的油压进一步升高并迫使裂纹向纵深扩展。此外，部分研究者认为，具有腐蚀性的极压添加剂可使刚刚产生的裂纹尖端立即受到腐蚀，从而堵死部分新生裂纹重新被压焊连通的路线，加速裂纹的扩展，以硫烯极压添加剂为例，其极压性能优异，可以保证齿轮在高温高负荷下不发生胶合，但其抗磨性能不佳，并具有相当强的腐蚀作用，因此在运转过程中可导致齿轮磨损加剧并降低齿轮的抗疲劳能力。相反，采用兼具优良极压，抗磨及减磨性能抗磨添加剂可以更有效地改善齿轮润滑状态，从而显著提高齿轮的疲劳寿命。事实上，齿面点蚀并不会无限期发展，可以将齿面点蚀划分早期点蚀和扩展性点蚀，在齿轮运转初期，由于接触条件不佳，齿面接触应力较大甚至超过许用接触应力，初期润滑条件不佳，齿轮表面容易发生早期点蚀，随着运转的进行，表面接触条件改善接触应力降低，多数早期点蚀可以自愈，如果随着齿的运转其表面接触条件得不到改善，则早期点蚀将发展成破坏性点蚀。因此，应该加强齿轮的跑合，通过跑合可以降低齿面接触应力，降低粗糙度，提高齿轮寿命。点蚀的现象，在加载运转大约10循环次数后，在大多数齿面上可观察到节线和单齿啮合最低线之问，出现一条轻微的灰斑带，随着运转次数的增加，灰斑越来越严重，其宽度逐渐向节线方向发展。出现灰斑的部位粗糙度增加，光泽变暗。在扫描电镜下观察，可发现齿面灰斑是由大量微点蚀和微裂纹组成，微点蚀是由微裂纹发展而成。对于渗碳淬火齿轮，当循环次数增加到一定数值时，某一齿面上突然出现1个面积较大的点蚀坑。再运转相当长一段时间后逐步扩散，直至失效。对于氮化齿轮，随着循环次数的进一步增加，灰斑区内大量微点蚀不均匀增大、加深，节线以下出现类似磨损的凹痕，继续运转，在此区域出现1个大点蚀坑，接近或超过失效评定标准。用扫描电镜观察损坏轮齿横断面，发现有起源于齿面与齿面成大约3O。向下延伸的存在，这些裂纹是齿面个别微点蚀坑底产生的二次裂纹向齿面发展的结四川大学制造科学与工程学院第3页共13页果，由一些大点蚀坑下部的疲劳裂纹扩展条带可看出裂纹起源于齿表面，当裂纹发展到一定深度，产生垂直齿面方向的二次裂纹导致整片脱落，形成点蚀坑。失效分析①赫兹应力的影响一般直齿圆柱齿轮的重合度系数在1～2之问变化，当由双齿啮合直接进人单齿啮合时，齿面的负荷会直接增加。赫兹应力最大值在单齿啮合起始点。②齿面摩擦力的影响齿面滑动情况为：对于主动轮，齿根高部分和齿顶高部分滑动方向相反，都远离节线，而且离节线越远，滑动系数越大。齿面摩擦力的方向与滑动方向相同。可见，齿面微裂纹尖端的指向正好和齿面摩擦力方向相反。齿面摩擦力在单齿啮合起始点处最大，这将使该区域齿面下最大剪应力接近齿面，引发微裂纹和微点蚀产生的二次裂纹向齿面内扩展。③硬齿面齿轮的跑合条件差硬齿面的齿轮在工作期间的磨损量很少，即使发生点蚀，齿面的加工刀痕依然存在，这些刀痕就形成了很多波峰和波谷。由于在跑合中没有消除波峰，当处于边界润滑状态时，便在这些波峰上产生较大的接触应力，导致微裂纹和灰斑的产生。齿面齿轮的疲劳失效的防止方法◆疲劳寿命的计算◆提高齿面的硬度◆提高齿面的质量◆跑合◆润滑油的合理选择2．齿轮折断齿轮在载荷的作用下，其齿根部产生的弯曲应力最大；且在齿根过渡圆角处有应力集中，同时齿轮在转动过程中，使轮齿重复受载，在交变应力反复作用下，齿根处将产生疲劳裂纹，裂纹扩展，导致轮齿弯曲疲劳折断。☆按机理可分为过载折断、疲劳折断、随机折断等3种。四川大学制造科学与工程学院第4页共13页☆按照轮齿断裂的原因和断口性质可以分为弯曲疲劳折断、过载折断、随机折断、轮齿剪断和塑变后折断。☆低应力脆断轮齿受力后，在齿根部产生的弯曲应力最大．且在齿根过渡圆角处有应力集中。大多数都是在齿根部折断，将一个齿可看成一个悬臂梁，研究表明应力最大在齿根过渡圆角与单齿对称线成30º角的切线的切点处。过载折断指因意外严重过载而引起的断齿，由于受到短时过载或冲击载荷或轮齿磨薄后，使轮齿应力超过其极限应力所造成的。载荷的严重集中、动载荷过大、轴承损坏、传动件失效及有较大的硬质异物进入啮合处等造成齿轮的应力超过其极限应力所致。大多由于其影响因素往往较为特殊，如传动系统中轴承失效引起轴偏斜，造成齿轮局部偏载，使冲击负荷过大，异物进入啮合区，加工精度、安装精度不高，过度磨损和严重点蚀等齿面损伤也会导致齿面局部过载与动载。过载是齿轮轮齿折断的主要原因。我们可以通过提高齿轮轮齿根部弯曲强度来四川大学制造科学与工程学院第5页共13页预防轮齿折断。(1)合理地设计齿轮的参数。在进行齿轮参数的优化设计时，为了提高齿轮的弯曲强度，在条件许可的范围内，应选用较大的齿轮模数。考虑到在设备使用过程中，由于产量提高，设备老化、产品变更等因素引起齿轮负荷增大，安全系数应大于临界值。(2)提高齿轮的加工精度和安装精度。齿轮的加工精度和安装精度低，使得齿轮的齿面接触不良，产生偏载和较大的振动，使轮齿因局部过载而折断。应增大齿根过渡处的圆角曲率半径，消除该处加工刀痕，并注意材料内部缺陷的检测和消除。增大轴和支承处的刚度，提高安装精度，避免产生较大的振动和偏载。(3)合理地选择材料和热处理方式。通常优质合金钢的韧性抗冲击性要优于碳钢和一般合金钢；渗碳淬火处理的齿轮，其弯曲强度和接触强度都要高于调质齿轮和一般淬火齿轮。(4)在磨削齿轮时，正确选择砂轮的材料、硬度和磨削工艺参数，以避免磨削裂纹。(5)正确使用设备，保持良好的润滑，不超速、不满载、勤检查。疲劳折断弯曲疲劳断齿基本上是从受拉侧齿根30。切线外开始，扩展至全齿断裂。用扫描电镜观察，硬齿面齿轮弯曲疲劳断口可分为三个区域——裂纹起源区，疲劳扩展区，快速终断区。裂纹一般在齿根表面产生，指起源于最大过应力区的疲劳裂纹不断扩展的断齿，是常见的断齿形式。疲劳裂纹的起源区一般是齿轮疲劳折断的发源地，该发源地为齿轮受载最重且齿轮局部或齿轮内部存在损伤之处。再往下则进入韧性疲劳扩展区，在此区域可看到明显疲劳裂纹，以及二次裂纹。齿轮疲劳裂纹的扩展随材料、应力幅、环境条件的不同而不同。在裂纹扩展早期，裂纹沿剪切力最大的方向扩展，即滑移面同正应力大致成45º角；随着裂纹逐渐向内部扩展，裂纹方向逐渐改变，并在正应力作用下沿正应力垂直方向扩展，随后从母体脱落。齿轮疲劳折断同其承受的负荷，齿轮材质、组织、成分、环境以及力学性能和制造工艺等因素密切相关。轮齿发生疲劳折断的根本原因在于轮齿在过高的交变应力作用下从危险萌生裂纹并不断扩展，从而使轮齿剩余截面上应力超过其极限应力，发生折断。因此防止疲劳折断的实质和关键在于防止齿轮的疲劳破坏。针对齿轮的齿轮传动形式，按齿根弯曲疲劳强度的计算准则进行计算。四川大学制造科学与工程学院第6页共13页随机断齿，随机断齿是指意外情况引起的断齿，如材料缺陷、磨削裂纹、热处理残余应力过高、齿面点蚀剥落和异物进人、润滑不良等原因引起的轮齿折断现象。其显著的特征是轮齿的折断部位不是在轮齿齿根弯曲应力最大的地方，它可能是在轮齿上的任何一个部位折断，包括整齿折断或在齿上有缺陷的部分折断。一般来说随机断齿是齿轮存有较严重的组织缺陷——带状组织，并且主要以纵向分布在轴部、支承台区域．这种带状组织的力学行为具有明显的方向性，即纵向的强度高，韧性高；横向的强度低，塑性差，而裂纹源恰处于横向带状组织区，齿轮在过渡圆角根部的最大正应力应位于根部尖角的平分线上，由于基体存在严重的组织和冶金缺陷，加之结构上处于应力集中的部位，导致齿轮的随机断齿。．低应力脆断，一般认为，材料在低于屈服强度状态下工作就不会产生塑性变形，更不会发生断裂。但事实并非如此．工程上一些用高强度材料制造的零件，如火箭、导弹、高速航空器等。常常在远低于屈服强度的状态下就发生脆性断裂。这种断裂称为低应力脆断。导致这种断裂的原因是构件和零件内部存在着宏观裂纹及裂纹的扩展现象。断口形貌像细瓷断口．有放射状条纹．与脆断断口形貌很相似。一般来说低应力脆断与材料和热处理有关，主要是齿的根部硬度值过高，淬透性高有关．从耐疲劳又不脆断来考虑，齿根部硬度应在HRC36～46的范围内才是合适的。一般应改换钢种。3齿轮磨损的过程齿轮磨损是指啮合过程中齿轮表面材料不断摩擦和消耗的过程。☆按磨损程度可以将磨损划分为轻微磨损、中等磨损和过度磨损。☆按磨损损伤机理可以将磨损划分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损等；轻微磨损是一个相当缓慢的磨损现象，接触表面上微凸体逐渐磨平，直到出现光滑的表面---贴合齿面为止。常见的预防措施是，在齿轮轻微磨损过程中，应适时更换润滑剂或采取其他措施，以得到较合适的油膜厚度。中度磨损是一种比较常见的磨损现象，它存在于齿轮传动的整个设计寿命内，四川大学制造科学与工程学院第7页共13页中度磨损的齿轮，节线上下齿面上的材料均有一定移失，离相对滑动速度为零的节线越远，磨损量越大。常见的预防措施是，改善润滑条件增加油膜厚度，提高润滑油的粘度，降低油温，加入添加剂。过度磨损是工作齿轮齿面材料大量磨掉，齿廓形状破坏，磨损率很高，齿轮达不到设计寿命要求，节线附近有时伴随着点蚀，常导致严重的噪音和系统振动，最终使齿轮不能正常工作。常见的预防措施是，采用合适的密封形式和润滑装置（如过滤装置），改善润滑方式，一般要改变齿轮的设计（几何参数、材料、精度等）磨粒磨损，磨粒主要源于两个方面，其一为外界进入磨粒，如沙石金属铁屑及外界其他物资等；其二为齿轮箱内部损伤而产生颗粒，氧化皮及其他金属或非金属物质。进入啮合区的磨粒在齿轮副啮合挤压作用下沿齿轮运动方向移动，因此磨痕走向平行于运动方向，整个齿轮磨损均匀，沿滑动方向磨痕呈重叠特征。后者导致四川大学制造科学与工程学院第8页共13页的磨损相对较为缓和，但在长期运转过程中会严重降低齿轮精度，进而影响齿轮的正常运转。因此，为了减轻齿轮的磨粒磨损，常见的预防措施是，尽可能采用闭式齿轮传动，并在经运转初期跑合后换油和清洗齿轮箱；同时应当优先采用循环系统供油，并配置良好的过滤和报警装置。对开式齿轮转动，应尽量设置防尘罩以防止磨粒进入，同时应尽可能选用硬度高，强度好的齿轮材料和高粘度齿轮油。新近相关研究表明，用具有优良极压抗磨性能的齿轮油可以有效地减轻齿轮的磨粒磨损。。腐蚀磨损也是导致齿轮失效的主要磨损形式，主要包括气蚀及特殊介质腐蚀磨损。腐蚀磨损以化学腐蚀为主，并伴随机械磨损，齿面形成均匀分布的腐蚀坑。通常，润滑剂中的活性成分，如酸和水等可同齿轮材料发生化学反应，从而导致齿面腐蚀；虽然极压添加剂的腐蚀作用是避免齿轮齿面胶合破坏的决定性因素，但在高温条件下，极压添加剂可分解成具有很强腐蚀作用