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齿轮传动中轮齿的失效分析及对策_点蚀-论文网

时间:2013-12-04  作者:浦毅

论文摘要:本文根据齿轮传动的工作特点,探讨了齿轮的轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形失效形式及原因,并基于失效原因的分析提出了一些应对措施。
论文关键词:轮齿失效,点蚀,塑性变形,胶合

0引言

齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动形式。具有效率高、结构紧凑、工作可靠、使用寿命长、传动比恒定等一系列特点,但由于设计、制造或使用不当等原因,齿轮传动在工作过程中经常会发生失效。通常有齿轮的轮齿折断、工作齿面磨损、疲劳点蚀、齿面胶合及塑性变形等,任何一种失效都将导致齿轮传动非正常工作。本文将针对齿轮传动的上述失效形式逐一进行探讨,分析其失效原因并提出相应的解决措施。

1轮齿折断

轮齿折断可分为疲劳折断、过载折断、和随机折断,通常渐开线直齿圆柱齿轮轮齿的折断为全齿折断,而斜齿轮和锥齿轮轮齿的折断一般是局部折断。

1.1疲劳折断

轮齿工作时像一个悬臂梁,受载后在齿根处产生的弯曲应力σ为最大,而且是交变应力。再加之齿根处过渡部分的尺寸变化较大存在应力集中,在反复的弯曲应力作用下,当应力值超过材料的弯曲疲劳极限时,即σ>σ时在轮齿受拉一侧的齿根圆角处产生疲劳裂纹,随着载荷循环次数的增加,裂纹逐渐扩展,使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力,造成瞬时折断。

导致轮齿发生疲劳折断的原因很多,如在设计时对实际载荷估计不足、齿轮材料选择不当、未能保证加工质量、精度等,为防止轮齿工作时发生疲劳折断,在进行齿轮设计、加工、安装时,必须优选齿轮参数、提高齿根表面光洁度、增大齿根圆角半径并调整齿根圆角过渡区,消除该处的加工刀痕一价低齿根的应力集中;增大轴及支承物的刚度以减轻齿面局部过载的程度;应正确选择齿轮副材料,进行适当

的热处理,以获得较好的显微组织;对齿轮进

行喷丸、碾压等冷作处理以提高齿面硬度、保持芯部的韧性。

1.2过载折断

过载折断是指齿轮在工作过程中有严重过载或冲击载荷的作用或者在制造安装过程中,精度差,齿轮局部受载或受较大的冲击时,均可能产生过载折断。过载折断不同于疲劳折断,其特点是断口位置不固定,断面粗糙。轮齿受到大载冲击或严重磨损而齿厚变薄时也会发生折断现象。另外,若制造或安装不良或轴的刚性不够而弯曲变形过大时,将导致轮齿局部过载,也会发生轮齿局部折断。如,某机车电动机悬挂装置主动齿轮断裂,在齿根断裂区发现在毛坯锻造过程中形成的闭合孔洞及夹杂物,严重削弱了该区强度而导致断裂。

在斜齿圆柱齿轮传动中,轮齿工作面上的接触线为一斜线,轮齿受载后,如有集中载荷时,就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲或轴的弯曲变形过大,轮齿局部受载过大时,即使是直齿圆柱齿轮,也会发生局部折断。

为防止轮齿过载折断的发生,在进行传动设计时,应充分考虑引起严重过载的各种因素,采用适当的安全装置,如安全联轴器等;安装时应保证有足够的接触精度;运转中应防止较大硬物落入啮合,以免造成冲击载荷,此外,对齿轮制造过程进行必要的质量控制,如对齿根部进行微裂纹探伤等,也可有减少轮齿发生过载折断的可能性。此外,齿轮在加工制造过程中,应严格保证工艺要求,尽量避免应力集中。

2齿面磨损

磨损是在啮合传动过程中,由于啮合齿面间存在着相对滑动、轮齿接触表面上的材料发生摩擦损耗的现象,齿面磨损是不可避免的。无论是齿面硬度多高,在齿轮工作后其齿面都会有所磨损。而磨料性物质的进入(如砂粒、铁屑等)则无疑是加剧齿面磨损的直接原因。避免轮齿过度磨损的最有效方法是以闭式传动代替半开式或开式传动。但是,不论是闭式、半开式,还是开式传动,适当的表面处理,如渗碳淬火、调质(正火)高频表面淬火等都有助于提高齿面硬度及耐磨性。

磨损根据其机理和特征的不同,有轻微磨损、中等磨损、过度磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。轻微磨损的特点:比较缓慢、均匀,磨损后齿面平滑光亮。接触齿面的粗糙度与润滑油粘度、齿面工作速度、工作载荷之间不匹配都是产生轻微磨损的原因,这些原因使齿面间润滑油膜厚度不够,导致齿面微凸体峰部被磨平或塑性压平,在齿轮磨光后,可采用粘度较大的润滑油形成合适的油膜厚度就不影响齿轮的寿命和性能。中等磨损时轮齿节线上下齿面的材料有一定的移失,离节线越远,磨损量越大,在节线位置上呈现出一条接近连续的线,因为齿轮受工作速度、载荷、温度、润滑剂和润滑因素的限制,只能在边界润滑或接近边界润滑状态下工作所致,可通过改善润滑条件、增加油膜厚度来防止中等磨损的发生。过度磨损时轮齿工作齿面材料被磨削,齿厚明显减薄,齿廓形状被破坏,齿轮寿命降低,过度磨损是由于润滑系统和密封装置不良或失效,系统有严重振动、冲击等因素所引起,基于以上分析可采用合适的密封形式和润滑装置,也可提高工作速度,减轻振动载荷,改变齿轮的几何参数、材质、精度、齿面粗糙度等。磨粒磨损表现为轮齿接触表面上沿滑动方向有较均匀的条痕,这是由于磨料物质落入啮合齿面间而引起的磨损,可通过适当提高齿面硬度和光洁度、降低齿面间滑动率、正确选择润滑方式、保持润滑油清洁等措施减少磨粒磨损。腐蚀磨损是一种以化学腐蚀为主,同时伴有机械磨损的轮齿失效形式,发生腐蚀磨损的轮齿齿面呈均匀分布的腐蚀麻坑,工作齿面沿滑动方向伴有磨蚀痕迹,引起腐蚀磨损的原因是润滑剂中的活性成分与轮齿材料发生了化学和电化学反应,引起齿面腐蚀,由于摩擦或冲刷作用,蚀斑被磨蚀或冲掉,形成腐蚀磨损,要防止腐蚀磨损,就必须对腐蚀介质进行控制,在润滑油中可添加适量的阻蚀剂,以降低电极反应速度,齿轮装置应有良好的密封形式,以防机内润滑油被外界的水、酸及其他有害物质污染

3齿面点蚀

点蚀是闭式齿轮传动常见的失效形式,在齿轮试验及机器检修时,在齿面上能看到麻点和凹坑,对于渗碳碎火的硬齿面,可以看到一些霜状纹班块或出现大块金属剥落。

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