齒輪是常用機(jī)械傳動(dòng)件，齒輪斷裂輕則必須停機(jī)維修，重則危及設(shè)備安全甚至造成重大事故。齒輪斷裂后簡(jiǎn)單的更換并不能排除齒輪再次斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，需要分 析齒輪致斷因素并加以改進(jìn)。為了建立齒輪失效信息庫(kù)，尋求接近齒輪斷裂影響因素全集，我們收集了大量來(lái)自不同設(shè)備的 斷裂處輪信息，對(duì)其中部分樣本進(jìn)行了分析。斷裂齒輪樣本出自軋鋼機(jī)、采煤機(jī)、牽引機(jī)車、鼓風(fēng)機(jī)、船用發(fā)動(dòng)機(jī)、起重機(jī)、飛機(jī)、工程機(jī)械、采油機(jī)械、礦井提升 機(jī)和大型拋物天線等多種設(shè)備中的圓柱直齒輪、斜齒輪、齒輪軸和錐齒輪等，設(shè)備和齒輪受載類型有一定代表性。

    1齒輪斷裂致斷因素的分類及相關(guān)性分析

    齒輪生命期按時(shí)序可分為設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)、失效報(bào)廢等幾個(gè)階段。為了避免早斷失效，需要確定齒輪生命期中那些因素影響齒輪斷裂。齒輪斷裂有的是單一因素所致，有的是一個(gè)或多個(gè)階段多因素組合致斷。

    2齒輪生命期不同階段影響齒輪斷裂的因素

    2.1設(shè)計(jì)階段影響齒輪斷裂的因素

    對(duì)斷裂齒輪樣本的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)階段對(duì)發(fā)生齒輪斷裂影響最大的因素分別是齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷與齒根或齒頂過(guò)渡圓角過(guò)小、配合過(guò)盈量過(guò)大、材料選擇不當(dāng)、安全系數(shù)小、齒輪模數(shù)、壓力角選擇不當(dāng)、行波共振。

    2.1.1齒輪結(jié)構(gòu)與過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)對(duì)齒輪斷裂的影響   在齒輪斷裂樣本中，齒輪結(jié)構(gòu)與齒輪上過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)對(duì)齒輪斷裂影響頻次超過(guò)設(shè)計(jì)階段影響頻次總數(shù)的1/3，相關(guān)性十分明顯。

    齒 輪斷裂樣本中，疲勞斷裂超過(guò)50%.既為疲勞斷裂，一般存在裂紋源。齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷如截面形狀突變、厚薄不勻、鍵槽、油孔等設(shè)計(jì)不當(dāng)容易產(chǎn)生裂紋，而 齒頂或齒根處的過(guò)小的過(guò)渡圓角，既容易在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，又容易在工作載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，致其裂紋擴(kuò)展直至斷裂。齒輪斷裂實(shí)例證明齒根裂紋形 成對(duì)過(guò)小的過(guò)渡圓弧半徑具有較強(qiáng)敏感性。

    2.1.2配合中的過(guò)盈量過(guò)大對(duì)齒輪斷裂的影響   齒輪裝配過(guò)盈量過(guò)大，就要求較大的熱裝膨脹量，因此需要更高的加熱溫度，而過(guò)高的加熱溫度可能與材料的熱處理溫度相沖突，還造成齒輪過(guò)度膨脹，裝配后在齒 根處留下較大的裝配拉應(yīng)力。又因?yàn)榧訜岱绞胶茈y保證齒輪均勻加熱，導(dǎo)致齒輪受熱不均，又會(huì)惡化齒根處的裝配拉應(yīng)力分布狀況。

    齒輪設(shè) 計(jì)中，往往按常規(guī)計(jì)算齒輪齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度，容易忽略多因素產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)整個(gè)齒輪產(chǎn)生的疊加影響，如過(guò)盈裝配產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力、傳遞轉(zhuǎn)距時(shí)產(chǎn)生 的彎曲拉應(yīng)力、次表層熱處理的殘余拉應(yīng)力、磨削應(yīng)力以及銷槽造成的應(yīng)力集中諸應(yīng)力綜合作用。某發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)齒輪雖滿足一般設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，卻因上述應(yīng)力綜合作 用致齒輪軸向斷裂。

    除了直接影響齒輪斷裂，也有間接因素影響齒輪斷裂，如某鼓風(fēng)機(jī)葉輪與軸采用過(guò)盈配合，裝配時(shí)采用加熱葉輪、自然冷卻工藝，轉(zhuǎn)子在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生了軸伸彎曲變形，運(yùn)轉(zhuǎn)中引起齒輪載荷不均和沖擊致最終斷裂。

    2.2制造階段影響齒輪斷裂因素

    斷裂齒輪樣本因素?cái)?shù)據(jù)表明，制造階段對(duì)齒輪斷裂影響較大的依次是熱處理、裝配質(zhì)量、齒根表面粗糙度、鑄鍛焊質(zhì)量、加工刀痕，其中63%的齒輪斷裂與熱處理相關(guān)。

    2.2.1熱處理對(duì)齒輪斷裂的影響   熱處理對(duì)齒輪斷裂影響因素中，齒根齒表齒端硬度不足、滲透層過(guò)淺過(guò)深或不均、熱處理不適、回火不充分、組織粗大、黑色網(wǎng)狀組織等為影響主因。

    (1) 齒根齒表齒端硬度低對(duì)齒輪斷裂的影響：熱處理通過(guò)齒輪表面和心部硬度、硬度梯度及組織均勻性影響其力學(xué)性能。較低的齒表硬度降低了齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度， 在交變應(yīng)力作用下，齒合面逐漸磨損，形成磨損嚴(yán)重的齒面和表面麻點(diǎn)甚至剝落坑。這時(shí)，齒輪傳動(dòng)重合度減小，相鄰齒輪承受傳動(dòng)負(fù)載增大，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊，平 穩(wěn)性下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，齒合面磨損后的齒根最大拉應(yīng)力顯著增大，輪齒處于危險(xiǎn)狀態(tài)，容易斷裂。齒根處硬度較低則降低齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。

    (2) 滲透層深度及厚薄不均對(duì)齒輪斷裂的影響：齒面硬化層深度不足和齒心部硬度低，在接觸載荷作用下，較薄的滲透硬化層難被較軟的心部支承而被壓碎，硬化層產(chǎn)生 剝落和齒體塑性都使運(yùn)動(dòng)間隙增大，產(chǎn)生沖擊載荷。沖擊載荷使齒根產(chǎn)生的疲勞裂紋加速擴(kuò)展，致有效承載截面減小，最后不能承受工作載荷而突然斷齒。

    從表層到心部硬度梯度太陡，在表層和心部的界面上會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的殘余拉應(yīng)力。當(dāng)工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力共同作用是容易在此界面上引起裂紋并因疲勞而擴(kuò)展。過(guò)陡的硬度梯度不但加速了裂紋在過(guò)渡區(qū)內(nèi)的形成，還會(huì)引起深層剝落，加速齒輪的早期斷裂。

    2.2.2齒輪裝配質(zhì)量對(duì)齒輪斷裂的影響機(jī)制：齒輪裝配質(zhì)量從多個(gè)方面影響齒輪斷裂失效

    (1) 齒輪或軸與軸承配合誤差較大時(shí)，容易造成齒輪偏載和沖擊。齒輪偏載導(dǎo)致齒合區(qū)域不正常，既減小齒合面積，使單位面積承受載荷顯著增大；又使齒合位置偏移， 即最大受力點(diǎn)偏移，造成齒輪本身受力不均勻，偏載處往往因受力集中導(dǎo)致齒輪斷裂。這種錯(cuò)位齒合產(chǎn)生沖擊和偏載，最終是齒輪早期斷裂。

    (2)配合過(guò)盈量過(guò)大造成裝配應(yīng)力過(guò)大，在齒輪上產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力，甚至可能超過(guò)外載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，兩種應(yīng)力共同作用時(shí)可能超過(guò)齒輪抗彎強(qiáng)度致齒輪斷裂。

    2.2.3齒根表面粗糙或刀痕對(duì)齒輪斷裂的影響

    齒根表面粗糙和存在的刀痕易誘發(fā)疲勞裂紋。齒輪輪齒承載方式為懸臂加載，最大彎曲應(yīng)力在齒根部，齒根處過(guò)渡圓角過(guò)小產(chǎn)生應(yīng)力集中，在該處形成應(yīng)力疊加，交變 應(yīng)力作用于齒根處的裂紋并致其擴(kuò)展，直致輪齒殘留斷面不足以承受工作載荷時(shí)瞬間斷裂。斷裂齒輪的斷口形貌分析表明，輪齒斷口上的多個(gè)疲勞裂紋源都出現(xiàn)在機(jī) 加工刀痕處。

    2.3材料對(duì)齒輪斷裂的影響因素

    2.3.1材料中夾雜物對(duì) 齒輪斷裂的影響機(jī)制   齒輪鋼強(qiáng)度一般較高，而鋼的強(qiáng)度越高，塑性越低時(shí)，對(duì)缺口的敏感效應(yīng)越明顯。當(dāng)齒輪受外力作用時(shí)，材料中的夾雜物難以變形，而它周圍的金屬在很大張力下發(fā) 生變形流動(dòng)，使金屬和夾雜物界面分離，形成空隙，非金屬夾雜物在鋼中起缺口和應(yīng)力集中作用，因此產(chǎn)生裂紋并加速其擴(kuò)展，從而導(dǎo)致齒輪斷裂。

    2.3.2 齒輪材料力學(xué)性能不足對(duì)齒輪斷裂的影響機(jī)制   有的斷裂齒輪呈脆斷特征，明顯表現(xiàn)為材料性能不合。有的雖呈塑性斷裂，但其性能不足以抵抗外載荷，如無(wú)選材不當(dāng)，則表示制造過(guò)程尤其是熱處理未獲得必需的 力學(xué)性能。力學(xué)性能是“齒輪材料+熱處理工藝”組合實(shí)現(xiàn)的，力學(xué)性能不足或因熱處理工藝不適，需要改善工藝；或者即使嚴(yán)格按照熱處理工藝執(zhí)行，也不能獲得 期望的力學(xué)性能，屬選材不當(dāng)，需要重新選擇。

    2.4使用階段影響因素

    過(guò)載和沖擊載荷為使用階段影響齒輪斷裂的主因。首先，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)使用條件的判斷可能失準(zhǔn)，缺少過(guò)載能力的合理儲(chǔ)備和過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)，這要在安全系數(shù)設(shè)定時(shí)解決； 其次是未在使用說(shuō)明書中明確界定使用條件；第三，雖有說(shuō)明，但未對(duì)使用者進(jìn)行必要培訓(xùn)，預(yù)防使用中過(guò)載和沖擊載荷出現(xiàn)。沖擊載荷峰值大且持續(xù)時(shí)間短，多為 偶發(fā)因素，除了合理的抗沖擊載荷能力儲(chǔ)備和峰值攔截設(shè)計(jì)外，需要減少使用中出現(xiàn)沖擊載荷的機(jī)會(huì)，尤其要避免出現(xiàn)過(guò)大的沖擊載荷峰值。偏載引起應(yīng)力集中，惡 化承載齒輪條件，使齒輪局部超過(guò)承載能力而斷裂。提高裝配和安裝質(zhì)量是減少齒輪偏載的重要途徑。

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