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【摘 要】 随着工业化进程的发展，作为机器运动和动力传递主要形式的齿轮传动，其零件已成为机械产品的重要基础，其以耐磨损、耐腐蚀、耐高温及安全可靠等特点被广泛应用。但在应用中也会出现传动失效的问题，本文对此加以探讨。
【关键词】 机械传动齿轮；失效；形式；预防措施
机械传动齿轮具有效率高、结构紧凑、工作寿命长以及传动比稳定的优势，在机械传动形式中受到广泛欢迎。机械传动齿轮的失效模式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀以及塑性变形等情况，轮齿的啮合不合理时，就极容易造成齿轮结构的超负荷运转或冲击负荷的出现，相对较软的轮齿就会出现塑性变形，甚至会出现飞边、轮齿变圆等问题。齿轮失去正常齿形后，啮合将会受到更严重的影响，大大降低了机械传动的效率与作用。但它在诊断过程中需要的技术要求也较高，只有准确判断，才能准确定位问题，并进行改造或检修。当制造、安装和使用过程中出现不当情况往往会引起较大的振动、噪声，甚至发生断裂等失效故障。产生齿轮失效的原因比较复杂，下面就此進行探讨。
1、齿轮失效的主要形式
1.1轮齿折断
轮齿受力后，相当于悬臂梁受载，齿根部弯曲应力最大，同时齿根又有较大的应力集中，因此，轮齿弯曲折断一般发生在齿根部分。齿轮传动工作时，轮齿每啮合一次，齿根弯曲应力变化一次。当弯曲应力超过弯曲疲劳极限，轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，致使轮齿折断，这种折断称为疲劳折断。轮齿受到短时意外的严重过载或冲击载荷作用也易造成突然折断，这种折断称为过载折断。
1.2齿面点蚀
齿面点蚀是一种在轮齿表面上出现麻点的齿面疲劳损伤。齿轮传动工作时，轮齿表面的接触应力呈脉动变化。在接触应力作用下工作一定时间后，靠近节线的齿根表面就会出现若干小裂纹，润滑油渗入裂纹，当裂纹随轮齿啮合而闭合后，封闭在裂纹中的润滑油在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点状凹坑，称为齿面疲劳点蚀。齿轮发生齿面点蚀后，严重影响传动的工作平稳性并产生振动和噪音，影响传动的正常工作，甚至导致传动的破坏。
1.3齿面胶合
胶合是比较严重的粘着磨损，在高速重载传动中时，因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向均成沟痕，这种胶合称为热胶合。在低速重载传动中，不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷粘着，这种胶合称为冷胶合。热胶合是高速、重载材料传动的主要失效形式。
1.4齿面磨损
互相啮合的两齿廓表面有相对滑动，在载荷作用下，会引起齿面的磨损。如果磨损的速度符合预定的设计使用期限，则应视为正常磨损。正常磨损的齿面很光亮，没有明显的痕迹。在规定的磨损量界限内，并不影响齿轮的工作能力。但齿面磨损严重后，轮齿将失去正确的齿形，会导致严重的噪音和振动，影响齿轮正常工作，齿厚逐渐减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。
1.5齿面塑性变形
当齿轮材料较软而载荷及摩擦力又很大时，在啮合过程中，齿面表层材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形，从而破坏正确齿形。在主动轮齿面节线的两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，在节线附近形成凹沟；在从动轮齿节线的两侧，齿顶和齿根摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊，齿面塑性流动破坏了正确的渐开线齿廓，导致轮齿从动失效。
2、导致齿轮失效现象的主要诱因分析
（1）制造误差齿轮制造时造成的主要异常有：偏心、齿距偏差和齿形误差等。
所谓偏心，是指齿轮（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心不重合。齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距之差；而齿形误差是指渐开线齿廓有误差。
（2）装配不良齿轮装配不当，会造成齿轮的工作性能恶化。例如，在齿宽方向只有一端接触，或者齿轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，不能平稳地传递动力。这种情况使齿的局部增加多余的载荷，有可能造成断齿，此现象称为“一端接触”。
3、预防和改进齿轮传动失效的措施探讨
3.1优化设计
机械齿轮在不加大外形尺寸的条件下，如何提高其强度和寿命是从设计环节预防和改进齿轮传动失效的主要方向。特别是对于承受重载和冲击载荷的机械齿轮，其弯曲极限应力强度和接触耐久性极限强度都必须得到有效提升，这就需要不断优化设计，包括优化选材、优化齿形结构、采用先进加工和处理工艺，这样才能通过表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数、装配要求等工艺的提升，来实现避免齿轮传动失效的现象。
3.2浅谈机械传动齿轮失效的检修
对于已经失效的齿轮结构，如何进行判断是否达到报废标准呢？针对不同的失效形式，有着不同的结论。检修失效的机械传动齿轮主要有几种情况：
首先是齿轮有裂纹出现或是齿面断裂时，就需要报废了；二是当齿轮轮齿的表面点蚀损坏占整个轮齿表面的三成以上，深度达到10%以上，或者点蚀面积超过60%，就需要报废处理；三是对于齿轮的磨损，它对于不同的应用机构有着不同的要求。对于一般的提升机构而言，安全系数较高，磨损齿厚不应该低于原厚度的80%；对于一般性的运行机构而言，齿轮的磨损不应该低于60%，如果超出此范围，则需要更换齿轮结构了。第四，为避免胶合现象出现，应该采用高粘度的润滑油，因为胶合会发生在低速但载荷力较大的场合，这个时候除了加润滑油外，还需要提高齿轮面的硬度、减少齿面的表面粗糙度。加入润滑油，对于点蚀失效、磨损失效都有较佳效果。[6]
针对不同的失效模式的齿轮有着不同的检修方法。对于高速运转使用的齿轮出现磨损情况时，一般润滑油过少或者间隙过小，它的排除方法就是减少负荷，增加润滑油；针对齿顶变尖的现象，可以增加齿轮的齿心距，或改用变位齿轮；针对齿形出现波纹磨损时，需要增加润滑油；对于出现胶合的齿轮现象，可以清洁油泵，提高齿轮的表面硬度，减少负荷，或使用粘度较高的润滑油，避免应力直接作用于齿面上；针对产生塑性变形的齿轮，就需要考虑环境条件了，要改善散热条件，或更换齿轮。 3.3应用热处理工艺术
传动机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪切强度的比值。深层渗碳淬火是提高芯部硬度的有效措施，渗碳齿轮经过淬火和回火，不但能硬化表层，还能产生压应力。它可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。需注意的是，在热处理后，还应进行油浴人工时效处理。
3.4表面强化处理
对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。严格按照设计的喷丸工艺要求操作，能使齿轮的接触疲劳强度提高30%-50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善能有效地阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多。
3.5正确安装运行
实践表明，齿轮的安装精度对其承载能力、磨损和使用寿命影响很大。无论是新安装、更换或检修安装，都应按照安装技術规范和标准进行，确保齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等。
3.6有效润滑
润滑对于齿轮的磨损失效有着重要的影响，应当引起足够的重视。机械传动齿轮的接触应力通常很高，因此轮齿接触表面材质的局部弹性形变不容忽视，因此，应根据各类润滑工况对齿面强度的影响进行具体分析，通过有效、合理润滑来避免齿轮失效现象的发生。
4、结语
齿轮的失效形式虽然多种多样，但在实际工作应具体分析齿轮失效的诱因，才能作出正确的选择，合理加强齿轮加工、使用和维修保养措施，从而有效避免齿轮失效现象的发生。
参考文献：
[1]蔚海文.煤矿机械传动齿轮失效形式及对措[J].山西焦煤科技，2011（01）.
[2]闫德明.煤矿机械传动齿轮失效形式分析[J].山西科技，2011（05）.
[3]焦钊.采煤机械传动齿轮失效问题研究[J].科技创新与应用，2012（08）.
[4]韩翠英.煤矿机械传动齿轮损坏原因及解决方式[J].煤矿机械，2012（11）.
[5]金川，李颖.电动切割机齿轮失效模式分析的研究[J].热加工工艺，2012（21）.
[6]赵勇.基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究[D].重庆大学，2011（04）
作者简介：段永照，1987-6，男，汉，内蒙古巴彦淖尔市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，专业：机电一体化。
【关键词】 机械传动齿轮；失效；形式；预防措施
机械传动齿轮具有效率高、结构紧凑、工作寿命长以及传动比稳定的优势，在机械传动形式中受到广泛欢迎。机械传动齿轮的失效模式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀以及塑性变形等情况，轮齿的啮合不合理时，就极容易造成齿轮结构的超负荷运转或冲击负荷的出现，相对较软的轮齿就会出现塑性变形，甚至会出现飞边、轮齿变圆等问题。齿轮失去正常齿形后，啮合将会受到更严重的影响，大大降低了机械传动的效率与作用。但它在诊断过程中需要的技术要求也较高，只有准确判断，才能准确定位问题，并进行改造或检修。当制造、安装和使用过程中出现不当情况往往会引起较大的振动、噪声，甚至发生断裂等失效故障。产生齿轮失效的原因比较复杂，下面就此進行探讨。
1、齿轮失效的主要形式
1.1轮齿折断
轮齿受力后，相当于悬臂梁受载，齿根部弯曲应力最大，同时齿根又有较大的应力集中，因此，轮齿弯曲折断一般发生在齿根部分。齿轮传动工作时，轮齿每啮合一次，齿根弯曲应力变化一次。当弯曲应力超过弯曲疲劳极限，轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，致使轮齿折断，这种折断称为疲劳折断。轮齿受到短时意外的严重过载或冲击载荷作用也易造成突然折断，这种折断称为过载折断。
1.2齿面点蚀
齿面点蚀是一种在轮齿表面上出现麻点的齿面疲劳损伤。齿轮传动工作时，轮齿表面的接触应力呈脉动变化。在接触应力作用下工作一定时间后，靠近节线的齿根表面就会出现若干小裂纹，润滑油渗入裂纹，当裂纹随轮齿啮合而闭合后，封闭在裂纹中的润滑油在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点状凹坑，称为齿面疲劳点蚀。齿轮发生齿面点蚀后，严重影响传动的工作平稳性并产生振动和噪音，影响传动的正常工作，甚至导致传动的破坏。
1.3齿面胶合
胶合是比较严重的粘着磨损，在高速重载传动中时，因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向均成沟痕，这种胶合称为热胶合。在低速重载传动中，不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷粘着，这种胶合称为冷胶合。热胶合是高速、重载材料传动的主要失效形式。
1.4齿面磨损
互相啮合的两齿廓表面有相对滑动，在载荷作用下，会引起齿面的磨损。如果磨损的速度符合预定的设计使用期限，则应视为正常磨损。正常磨损的齿面很光亮，没有明显的痕迹。在规定的磨损量界限内，并不影响齿轮的工作能力。但齿面磨损严重后，轮齿将失去正确的齿形，会导致严重的噪音和振动，影响齿轮正常工作，齿厚逐渐减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。
1.5齿面塑性变形
当齿轮材料较软而载荷及摩擦力又很大时，在啮合过程中，齿面表层材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形，从而破坏正确齿形。在主动轮齿面节线的两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，在节线附近形成凹沟；在从动轮齿节线的两侧，齿顶和齿根摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊，齿面塑性流动破坏了正确的渐开线齿廓，导致轮齿从动失效。
2、导致齿轮失效现象的主要诱因分析
（1）制造误差齿轮制造时造成的主要异常有：偏心、齿距偏差和齿形误差等。
所谓偏心，是指齿轮（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心不重合。齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距之差；而齿形误差是指渐开线齿廓有误差。
（2）装配不良齿轮装配不当，会造成齿轮的工作性能恶化。例如，在齿宽方向只有一端接触，或者齿轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，不能平稳地传递动力。这种情况使齿的局部增加多余的载荷，有可能造成断齿，此现象称为“一端接触”。
3、预防和改进齿轮传动失效的措施探讨
3.1优化设计
机械齿轮在不加大外形尺寸的条件下，如何提高其强度和寿命是从设计环节预防和改进齿轮传动失效的主要方向。特别是对于承受重载和冲击载荷的机械齿轮，其弯曲极限应力强度和接触耐久性极限强度都必须得到有效提升，这就需要不断优化设计，包括优化选材、优化齿形结构、采用先进加工和处理工艺，这样才能通过表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数、装配要求等工艺的提升，来实现避免齿轮传动失效的现象。
3.2浅谈机械传动齿轮失效的检修
对于已经失效的齿轮结构，如何进行判断是否达到报废标准呢？针对不同的失效形式，有着不同的结论。检修失效的机械传动齿轮主要有几种情况：
首先是齿轮有裂纹出现或是齿面断裂时，就需要报废了；二是当齿轮轮齿的表面点蚀损坏占整个轮齿表面的三成以上，深度达到10%以上，或者点蚀面积超过60%，就需要报废处理；三是对于齿轮的磨损，它对于不同的应用机构有着不同的要求。对于一般的提升机构而言，安全系数较高，磨损齿厚不应该低于原厚度的80%；对于一般性的运行机构而言，齿轮的磨损不应该低于60%，如果超出此范围，则需要更换齿轮结构了。第四，为避免胶合现象出现，应该采用高粘度的润滑油，因为胶合会发生在低速但载荷力较大的场合，这个时候除了加润滑油外，还需要提高齿轮面的硬度、减少齿面的表面粗糙度。加入润滑油，对于点蚀失效、磨损失效都有较佳效果。[6]
针对不同的失效模式的齿轮有着不同的检修方法。对于高速运转使用的齿轮出现磨损情况时，一般润滑油过少或者间隙过小，它的排除方法就是减少负荷，增加润滑油；针对齿顶变尖的现象，可以增加齿轮的齿心距，或改用变位齿轮；针对齿形出现波纹磨损时，需要增加润滑油；对于出现胶合的齿轮现象，可以清洁油泵，提高齿轮的表面硬度，减少负荷，或使用粘度较高的润滑油，避免应力直接作用于齿面上；针对产生塑性变形的齿轮，就需要考虑环境条件了，要改善散热条件，或更换齿轮。 3.3应用热处理工艺术
传动机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪切强度的比值。深层渗碳淬火是提高芯部硬度的有效措施，渗碳齿轮经过淬火和回火，不但能硬化表层，还能产生压应力。它可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13%以上，寿命可提高1倍。需注意的是，在热处理后，还应进行油浴人工时效处理。
3.4表面强化处理
对齿面和齿根进行喷丸强化处理，通常是齿轮加工的最后一道工序，可在渗碳淬火或磨齿后进行。严格按照设计的喷丸工艺要求操作，能使齿轮的接触疲劳强度提高30%-50%，使齿根弯曲疲劳强度得到改善能有效地阻止裂纹扩展，使实际载荷比外加载荷小得多。
3.5正确安装运行
实践表明，齿轮的安装精度对其承载能力、磨损和使用寿命影响很大。无论是新安装、更换或检修安装，都应按照安装技術规范和标准进行，确保齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等。
3.6有效润滑
润滑对于齿轮的磨损失效有着重要的影响，应当引起足够的重视。机械传动齿轮的接触应力通常很高，因此轮齿接触表面材质的局部弹性形变不容忽视，因此，应根据各类润滑工况对齿面强度的影响进行具体分析，通过有效、合理润滑来避免齿轮失效现象的发生。
4、结语
齿轮的失效形式虽然多种多样，但在实际工作应具体分析齿轮失效的诱因，才能作出正确的选择，合理加强齿轮加工、使用和维修保养措施，从而有效避免齿轮失效现象的发生。
参考文献：
[1]蔚海文.煤矿机械传动齿轮失效形式及对措[J].山西焦煤科技，2011（01）.
[2]闫德明.煤矿机械传动齿轮失效形式分析[J].山西科技，2011（05）.
[3]焦钊.采煤机械传动齿轮失效问题研究[J].科技创新与应用，2012（08）.
[4]韩翠英.煤矿机械传动齿轮损坏原因及解决方式[J].煤矿机械，2012（11）.
[5]金川，李颖.电动切割机齿轮失效模式分析的研究[J].热加工工艺，2012（21）.
[6]赵勇.基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究[D].重庆大学，2011（04）
作者简介：段永照，1987-6，男，汉，内蒙古巴彦淖尔市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，专业：机电一体化。