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【摘 要】 在机械传动过程中,齿轮传动是一种非常重要的方式。目前已经应用于几乎所有的机械行业,在国民经济的发展中起着重要的作用,大大提高了机械制造生产的效率。经过多年的发展,我们发现齿轮传动过程中存在着一些问题,这些问题会导致齿轮传统的作用完全失效或是部分失效。本文对机械传动齿轮失效的诊断与检修进行阐述。
【关键词】 机械传动齿轮;失效诊断;检修
前言:
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。
一、齿轮失效的主要形式
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,齿根处就会产生疲勞裂纹,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。
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。
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。
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。
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。
二、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”。
三、齿轮失效的诊断方法
1、简易诊断法
一对齿轮啮合传动时,某一轮齿进入啮合到退出啮合的时间,称为啮合周期。啮合周期的倒数则为啮合频率,用?m表示,其表达式为
式中:Z1-小齿轮齿数;
Z2-大齿轮齿数;
n1-小齿轮的转数(r/min);
n2-大齿轮的转数(r/min)。
简易诊断就是通过传感器对运动齿轮的引出端,如普通减速器的轴承座盖等监测部位进行振动监测,并对监测测得的噪声谱进行技术分析,从而对齿轮进行诊断。
诊断时,如果轴承座在机壳内部,则可选择轴承座附近刚度好的部位,或测量基础的振动。为了保持每次测定的部位不变,可以在测定位置作出记号。如果测定部位要排在钢铁件上,测定部位的表面应是光滑的。同时,应尽可能地沿水平、垂直、轴向三个方向进行测定。
诊断的齿轮转速可在100r/min以上。简易诊断的项目主要是齿轮的偏心、齿距误差、齿形误差、齿面磨损、齿根部较大的裂纹等。
这里应注意的是,齿轮的种类各不相同,因此,不要只用一种方法进行诊断,而是要考虑用两种方法同时诊断。
2、精密诊断法
齿轮诊断监测的振谱是各具特点的,其中,啮合频率?m在故障诊断中有着重要意义。各类故障在频域中的显示特点可作精密诊断时的参考:
1)当齿轮磨损时,啮合频率?m及其谐频分量保持不变,但幅值大小会有所变化,高次频率分量的幅值将明显增大。
2)当齿廓有变形或齿根有裂纹时,?m幅值变大,其谐频分量也增加。
3)当齿轮中出现断齿时.由于断齿间隔影响了与齿数有关的啮合周期,从而影响了?o、?m及其频率分量的变化(?o为固有频率)。 4)当齿轮轴出现平衡不准、对中性不好和松动的缺陷时,将出现?o的低次谐波。
5)齿轮有制造误差,将出现一个特定的转频谐波。
6)当齿圈有偏心时,除振幅增大外,将出现以与偏心有关的?o、?m为高频的调幅信号。
7)当齿轮有角速度波动时,由于ω=2π?,则出现调频现象。
上述内容是齿轮精密诊断的重要依据,再根据客观的使用情况,辅以检测仪器,从而得出较为客观的诊断。
四、齿轮的检修
如何通过检修来判断齿轮是否报废呢?不同的机构有不同的报废标准,這里只从常用运行机构中啮合齿轮的不同失效形式来论述。
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。
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。
另外针对齿轮本身的修理方法包括:镶齿修复法、镶齿圈修复法、齿轮翻转使用法、修复铸铁齿轮的断齿、镶焊齿坯修理法等,通过对轮齿的修复处理达到可以使用的目的。
五、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]李如华,韩梅,郎娟芳.《齿轮失效形式分析》[J].机电产品开发与创新,2011(2).
[2]聂勇军,罗敬东.《齿轮失效模式形成分析》[J].琼州学院学报,2011(2).
【关键词】 机械传动齿轮;失效诊断;检修
前言:
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。
一、齿轮失效的主要形式
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,齿根处就会产生疲勞裂纹,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。
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。
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。
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。
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。
二、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”。
三、齿轮失效的诊断方法
1、简易诊断法
一对齿轮啮合传动时,某一轮齿进入啮合到退出啮合的时间,称为啮合周期。啮合周期的倒数则为啮合频率,用?m表示,其表达式为
式中:Z1-小齿轮齿数;
Z2-大齿轮齿数;
n1-小齿轮的转数(r/min);
n2-大齿轮的转数(r/min)。
简易诊断就是通过传感器对运动齿轮的引出端,如普通减速器的轴承座盖等监测部位进行振动监测,并对监测测得的噪声谱进行技术分析,从而对齿轮进行诊断。
诊断时,如果轴承座在机壳内部,则可选择轴承座附近刚度好的部位,或测量基础的振动。为了保持每次测定的部位不变,可以在测定位置作出记号。如果测定部位要排在钢铁件上,测定部位的表面应是光滑的。同时,应尽可能地沿水平、垂直、轴向三个方向进行测定。
诊断的齿轮转速可在100r/min以上。简易诊断的项目主要是齿轮的偏心、齿距误差、齿形误差、齿面磨损、齿根部较大的裂纹等。
这里应注意的是,齿轮的种类各不相同,因此,不要只用一种方法进行诊断,而是要考虑用两种方法同时诊断。
2、精密诊断法
齿轮诊断监测的振谱是各具特点的,其中,啮合频率?m在故障诊断中有着重要意义。各类故障在频域中的显示特点可作精密诊断时的参考:
1)当齿轮磨损时,啮合频率?m及其谐频分量保持不变,但幅值大小会有所变化,高次频率分量的幅值将明显增大。
2)当齿廓有变形或齿根有裂纹时,?m幅值变大,其谐频分量也增加。
3)当齿轮中出现断齿时.由于断齿间隔影响了与齿数有关的啮合周期,从而影响了?o、?m及其频率分量的变化(?o为固有频率)。 4)当齿轮轴出现平衡不准、对中性不好和松动的缺陷时,将出现?o的低次谐波。
5)齿轮有制造误差,将出现一个特定的转频谐波。
6)当齿圈有偏心时,除振幅增大外,将出现以与偏心有关的?o、?m为高频的调幅信号。
7)当齿轮有角速度波动时,由于ω=2π?,则出现调频现象。
上述内容是齿轮精密诊断的重要依据,再根据客观的使用情况,辅以检测仪器,从而得出较为客观的诊断。
四、齿轮的检修
如何通过检修来判断齿轮是否报废呢?不同的机构有不同的报废标准,這里只从常用运行机构中啮合齿轮的不同失效形式来论述。
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。
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。
另外针对齿轮本身的修理方法包括:镶齿修复法、镶齿圈修复法、齿轮翻转使用法、修复铸铁齿轮的断齿、镶焊齿坯修理法等,通过对轮齿的修复处理达到可以使用的目的。
五、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]李如华,韩梅,郎娟芳.《齿轮失效形式分析》[J].机电产品开发与创新,2011(2).
[2]聂勇军,罗敬东.《齿轮失效模式形成分析》[J].琼州学院学报,2011(2).