齿轮失效分析

附录二 齿轮失效分析 齿轮失效分析 齿轮是传递运动和动力的重要零件 齿轮种类较多 工作环境不 同 因此有多种不同的失效形式 失效类型由失效齿轮的形貌和失效 过程或机理确定的 失效机理确定后 就可以确定失效原因 提出相 应的对策 齿轮失效类型可以分为四大类 磨损 表面疲劳 塑性变形和折 断 每一大类还可细分为几类 进而使分类更加精细和明确辨别特征 失效的类型可见表一 失效的特征 部位及对策见表二 齿轮的失效 损伤除了以上类型和特征外 还可有其他形式的损伤 如随机断裂 各种材质缺陷造成的损伤 加工工艺不当造成的淬火裂纹 磨削裂纹 等 但此类损伤如在加工过程中加强质检是可以避免的 因此在表二 中未予列出 表一 齿轮失效的类型 分类 失效类型 磨损 轻微磨损 中等磨损 过度磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 轻微胶合 中等胶合 破坏性胶合 局部胶合 表面疲劳 早期点蚀 破坏性点蚀 剥落 塑性变形 碾击塑变 鳞皱 起脊 齿面塑变 折断 疲劳折断 过载折断 1 表二 齿轮损伤特征 原因及对策 损伤特征部位 损伤原因 对策 磨损 齿轮在啮合过程中 轮齿接触表面材料的摩擦损耗现象 1 轻微磨损 接触表面上的 微凸体逐渐磨平 直至出 现非常光滑的表面为止 2 中等磨损 节线上下齿面 材料都有一定磨损 节线 位置呈现出一条近于连 续的线 3 过度磨损 齿廓形状破 坏 磨损率很高 节线附 近有点蚀 传动有噪音和 振动 4 磨粒磨损 轮齿接触表面 沿滑动方向有较均匀的 条痕 多次磨擦条痕重 叠 5 腐蚀磨损 齿面上呈现均 匀分布的腐蚀麻坑 齿面 沿滑动方向伴有腐蚀痕 迹 轮齿接触表面的粗糙度与润 滑粘度 齿面工作速度 工作 载荷不匹配 齿轮在边界润滑状态下工作 润滑系统中有小量的污染杂 质 润滑系统和密封装置不良 系 统有严重振动 冲击载荷 齿面间异物引起磨粒磨损 在 开式齿轮传动中更为严重 轮齿材料发生电化学反应 由 磨擦 冲刷形成腐蚀磨损 高 温时极压添加剂形成磨蚀介 质 此为轻微磨损过程 可适时更 换润滑剂 提高润滑油粘度 降低油温 加入适当的添加剂 加强油液 清洁度管理 对污染杂质增设过滤装置 适 时更换润滑油 改善润滑方式 提高润滑油粘 度 提高工作速度 减轻载荷 跑合后注意清洗 适时换油 开式齿轮箱采取适当防护 防止油液污染 添加剂的成分 和含量适当 建立合理的工艺 规程 胶合 相啮合的齿面金属 在一定压力下直接发生粘着 随着齿面的相对运动 使金属从齿 面上撕落而引起严重的粘着磨损现象 1 轻微胶合 靠近齿顶或齿 根的齿面上沿滑动方向 有极轻微而细密的伤痕 一条喑带 有时要借 助显微镜才能见到痕迹 2 中等胶合 齿顶部 齿根 部均有滑动方向的粘撕 伤痕 较软齿面更明显 3 破坏性胶合 沿滑动方向 呈现明显粘撕痕迹 齿顶 有明显的材料移失迹象 齿廓毁坏 振动 噪音增 大 4 局部胶合 局部区域有齿 面胶合的现象 并不延 伸 扩展 运转初期润滑条件与工作情 况不协调 或轻微干涉存在而 引起 齿轮啮合处局部温度过高 破 坏润滑油膜 润滑不充分 工作温度过高 齿面接触应力或速度过高引 起的过热 由于安装制造误差 引起载荷 集中 鼓形齿修形量过大 齿 宽较大 局部温升引起变形 控制起动过程的润滑及载荷 排除干涉的起因 降低油温 使用极压添加剂的 润滑油 降低齿面表面粗糙 度 降低载荷及速度 保证一定条件下良好的润滑 采用极压或特殊高粘度的润 滑油 安装精度适当 修形量适当 散热应均匀 油的冷却与供油 部位应适当 点蚀 齿面呈点状的齿面疲劳损伤 1 早期点蚀 有较小 数量 不多的麻点 2 破坏性点蚀 靠近节线的 齿根表面上 麻点不断扩 展 噪声增大 啮合齿面局部过载 齿形误 差 齿面凸凹不平 轴线歪斜 造成偏载 齿面接触应力过大 节线附近 滑动速度方向变化 油膜不易 形成 提高齿形精度 精心跑合 提高齿面硬度 降低粗糙度 改善润滑 剥落 齿面上材料成片状剥离 2 剥落 形状不规则的片状剥 落坑 较浅平而大的坑 硬齿面上过高的接触应力作 用 疲劳裂纹扩展形成 材料 缺陷 齿面软硬的过度层中裂 纹的延伸扩展 承载力不足应考虑重新设计 提高轮齿芯部硬度 减小应力 集中 塑性变形 在过大应力作用下 轮齿材料因屈服产生塑性流动 而形成齿面和齿体的变形 1 碾击塑变 在齿顶棱和齿 端出现飞边 齿顶滚圆 节线附近有沟槽 脊棱 2 鳞皱 齿面塑变呈鱼鳞状 皱纹 并垂直于滑动速度 方向 3 起脊 整个工作齿面上沿 滑动方向形成明显的脊 棱 4 齿体塑变 轮齿歪扭 齿 形剧变 硬齿面轮齿伴有 变色现象 滚碾冲击作用 接触应力过 高 轮齿材料硬度过低 动载 荷太大以及润滑不良 润滑不良及高压强作用 齿面 爬行 的结果 低速度 振 动引起齿面塑性流动 常发生在重载的蜗杆传动中 准双曲线齿轮传动中 高接触 应力和低滑动速度 不良润滑 材料的塑性流动 润滑失常造成剧烈温升引起 轮齿热塑变形 过大载荷引起 冷塑变形 减小接触应力 提高材料硬 度 降低动载荷 采用极压添 加剂和高粘度润滑油 保证制 造 安装精度 提高齿面硬度 改善润滑 提 高速度 控制齿面的振动 提高材料的硬度 采用粘度 大 有极压添加剂的润滑油 保证润滑油的清洁度 充分的润滑 提高润滑油的粘 度 对冷塑变形应提高材料的 屈服极限 轮齿折断 齿轮一个或多个齿的整体或局部断裂 1 疲劳折断 起源于齿根处 的疲劳裂纹扩展造成的 断齿 2 过载断齿 断口较粗糙 无疲劳断裂的特征 高的交变应力多次作用的结 果 齿根圆角半径过小 表面 粗糙度过高 滚切加工时有损 伤 材料中有夹杂物 残余应 力影响 短时意外过载造成严重应力 集中 动载荷过大 较大硬质 异物进入啮合处 修改齿轮几何参数 降低齿根 表面粗糙度 正确的喷丸处 理 适当的热处理消除残余应 力 避免突然的意外过载 设置安 全装置 表三 齿轮失效分布图 疲劳24 撞击15 麻点 剥落 渗碳层压碎 20 外物落入啮合 区10 过量磨损 擦 伤 划伤18 其他13 3 图一 因润滑不良或啮合不正 确引起的粘附磨损 图二 齿面的中等磨损使节线 变得清晰可见 箭头所示 多 数由润滑油中磨料引起 图三 由于润滑不良和重压力下造 成金属与金属直接接触而产生该 伤 图中磨损表面的水平线是节 线 图四 划伤的早期阶段在齿轮上 部显示出斑点的覆霜似样式 损 伤在这个阶段是轻微的 图五 破坏性的刻伤如图 重的刻伤发生在节线以上或 以下 通常损伤会迅速发展 至齿轮不能使用 4 图七 一种磨料磨损特别严 重的形式 轮齿的大部分由 于润滑剂中的磨料磨粒而损 坏 图六 一种磨料轻微磨损的 形式 图八 由润滑剂里的添加剂 和污染物引起齿面的腐蚀磨 损 图九 齿轮表面由于受化学腐 蚀而损伤 一般因润滑油 添 加剂等引起 对齿面影响极大 并其发展趋势越来越严重 图十 这些 痊 齿面麻点由很小的坑穴组成 麻点经过起初阶段后经常会 自 变好 图十 端 慢慢 明载 点无 5 一 麻点产生在斜齿面的一 原因是中心线稍有失调 麻点 向中部进展 表面变抛光 说 荷沿齿面分配变均匀 这种麻 害 图十二 图中有害的麻点是由 过载造成的 图十三 图内所示是由麻点毁坏的 齿面 图十四 齿根发生麻点 其原因 是接触应力过大和啮合区域不 正确 过载是主要原因 破坏了 图十六 齿面产生严重的麻点和 剥落 在相邻齿面上齿面被彻底 损坏 图十五 左图箭头 所示是齿面剥落 的第一阶段 在齿 的接触区域有扩 展的裂纹 右图所 示当大片碎片脱 落时 齿面就彻底 6 图十七 图中所产生的齿面纵 向裂纹是硬齿面的渗碳层压 碎 裂纹从渗碳层深部向表面 延伸 裂纹进一步发展将产生 大块碎片从表面脱落 图十八 渗碳层初始形式见左侧 示图 最后阶段剥落形式见右侧 示 图 初步分析可以判断为过 载造成 详细分析应作金相分析 图十九 图示是典型的疲劳损 坏 其特点是有光滑的区域 过 载和振动是造成损坏的原因 图二十 图示小齿轮中箭头所 示三个齿发生疲劳损坏 其余 齿面是轻微的磨损 图二十一 图示油泵齿轮因疲 劳而断裂 断裂从齿根圆角处 延伸到齿轮中心孔 齿面还伴 随有严重磨损 7 图二十二 齿根的疲劳裂纹见图 示箭头所示 造成缺陷原因应进 行金相分析 图二十三 由于过度 重复重载引起齿轮折断 在图示 A 的部位 可以看到因疲劳裂纹首先折 断的部位 断面光滑 似天鹅绒般的区域 图二十四 疲劳折断的齿轮 见图示 箭头指明方向表示 裂纹从左边缘开始 靠近齿 受压侧的底部 箭头指示部 位是裂源 旁边区域是受到 充分的磨擦 裂纹起初发展 缓慢 图二十五 图所示断齿和另一齿上的裂 纹 断齿的断面不是光滑的 说明是一 个瞬间的突然断裂 图中可以观察到断 面含有显著的夹渣带 材料含杂质 它 的作用象刻痕一样 促进缺陷的发展 图二十六 齿面淬硬的齿轮的疲劳 断裂 始于齿根处 出现在图示箭 头所指的齿的两侧 进一步向齿根 的中部发展而造成断裂 金相分析 可有助于进一步找出齿断裂的深 层原因 8 图二十七 图中齿顶已碎掉 过载产 生的过大应力引起裂纹 进一步的疲 劳造成裂纹的发展 直至齿顶破碎 如果此过程在短时间内发生 表明齿 面硬度过高 可通过金相分析来验证 图二十八 图示渗碳齿轮角部已被敲 掉 表明齿角在破裂之前受到多次重 复的冲击 撞击 此时不适当的撞 击是造成破坏的原因 图三十 图中所示的表面淬硬偏轴伞齿 轮产生的齿面波纹皱 波纹 起棱 冷 变形是高负载齿轮上出现的典型现象 图二十九 淬硬正齿轮断面上呈灰色颗 粒状外观的是典型的撞击缺陷造成 而 疲劳破坏断裂区有明显的光滑外观 这 两者有显著区别 图三十二 图示是中等硬度齿轮发生冷变形 的过程情况 此类齿轮较硬化齿轮更易产生 齿面金属移动现象 图中可以看出材料已卷 到齿顶边上 造成齿型损坏 重载是引起金 属移动的主因 图三十一 表面淬硬齿轮有起 棱是由于过载造成的 9 图三十三 中等硬度的齿轮由于碾压与 撞击造成表面变形 开始时由于超载造 成初步损伤 长期超载使用 硬度不够 造成变形 图三十四 剧烈 过大的接触应力使齿轮 表面产生塑性流动 形成波纹 在齿面中 心部位还有表面材料碎裂的剥落产生 过 载是主因 图三十五 渗碳齿轮在节线附近产 生麻点 沿节线的波纹和齿顶轻微 的粘附磨损显著可见 超载是主因 图三十六 图中齿轮啮合接触部分已 全部损坏 重载和润滑不良是主因 图三十七 小齿轮由于严重的麻点和 粘附磨损而损坏 过大的超载和润滑 不足是产生此类缺陷的原因 图三十八 齿轮因敲击和疲劳而断 裂 严重超载和润滑不足引起此损坏 10 图三十九 四十 因调整不当引起锥齿轮的齿断裂 图三十九是因为锥 齿轮的齿轮踵部载荷过大造成 原因是齿侧隙过大 图四十的折断是齿 轮尖部载荷过大造成 原因是侧隙过小 同时 如振动载荷也可能造成 上述损坏 甚至整个环状轮齿断裂 图四十一:因润滑不充分 齿轮之间的 不正常磨擦产生热 使金属软化 使齿 面擦伤 磨损的小齿轴轴承使小齿轮产 生轴向位移 造成齿环接触不正确 此 类损坏 扭矩过大是原因之一 图四十二 环齿出现变色和变 形 原因是润滑不充分或油品不 正确 表面过分摩擦和出现过热 是原因 图四十三 齿轮表面的肿包 芒刺和隆起 是出现在精加工 后的齿轮由于放置粗心 使齿 的棱边碰伤而致 11 图四十四 右侧图是正常齿轮啮合情况 左侧图和中位图都是齿接触不良好的啮 合情况 其接触面集中在齿面的一端 会造成齿轮高速度运转时的尖叫噪音 但 此类磨损一般不会造成进一步的损坏事故 12