齿轮常见故障教学实践研究

2022-10-18

孟莹

（昆明铁道职业技术学院）

摘　要：齿轮失效的基本原因是齿轮磨损、点蚀、折断等，当工作应力超过Z大允许应力时，齿轮通常会失效。分析由于应力集中引起的轮齿疲劳失效的类型，结合教学实践进行阐释并提出针对齿轮常见故障的课程讲授方式及教学创新。

0　引言

在现代机械工程中，齿轮是传递运动和动力Z常用的零件，它可以实现准确的传动比，具有较长的使用寿命。在机械设计基础课程体系中，如何判断齿轮失效，合理设计齿轮传动是课程重要的知识结构组成部分，同时也是机械工程专业学生在相关岗位工作中所需的重要能力。在机械结构中，齿轮是传动装置中的零件，允许力在不打滑的情况下完全传递，齿轮的设计和功能通常是密切相关的。各种类型的齿轮已被开发来执行不同的功能。

对于高速机械，可以改变转轴的转速，将原动机提供的高转速输入转换成具有较低转速和较高转矩的输出。不同类型的齿轮特性在机械设计基础教材文本中都有所论述，而这些齿轮在使用过程中也会伴随着因各种原因而造成的失效。在大多数情况下，除了噪声和振动的增加外，齿轮发生故障通常是所有机械部件问题的迹象。

齿轮失效的形式很多，如齿面磨损、胶合、点蚀或塑性变形、轮齿断裂等。对齿轮而言，Z常见的疲劳失效形式是齿面接触疲劳和轮齿弯曲疲劳。导致疲劳产生的原因包括齿轮组结构设计不合理、齿轮装配不正确、错位、过载或关键区域的次表面缺陷的意外应力升高，以及使用不正确的材料和热处理方法等。因此，熟悉齿轮失效形式并准确判断齿轮状态是机械工程方向学生应当掌握的一个重要知识节点，而为此设计一套合理高效的授课形式尤为重要。相较于常规教学中的图文形式，齿轮的常见故障教学中应更加强调实践比对、检测和判断。以下将对围绕比对法、检测法、判断法的课堂实践教学模式进行论述，该教学模式在围绕齿轮常见故障的教学实践中具有较好的效果。

1　齿轮失效分析

齿轮失效是指当齿轮不再能有效完成其预定工作时，齿轮发生失效。齿轮失效可分为齿面失效（如擦伤、点蚀和磨损等）和轮齿失效（如弯曲和冲击等）。齿轮失效可能在各种形式下发生，如果在设计阶段采取措施，以防止各种失效的发生，则可发展出完善的齿轮设计。

1.1擦伤

擦伤可能是由于接触区域的润滑失效产生，也可能是金属与金属直接接触，由于金属接触而产生的焊接和撕裂作用迅速而连续地去除金属，直到负载、速度和油温保持在同一水平。同时，也将擦伤分为三种，即初始擦伤、适度擦伤和破坏性擦伤。

初始擦伤出现在先前加工留下的高点处，这些高点处的润滑失效会导致初始擦伤。一旦这些高点被移除，当载荷分布在更大的区域时，应力就会降低。如果负载、速度和油温保持不变或降低，擦伤将停止。初始擦伤是非渐进式的，并有与之相关的纠正措施。初始擦伤后如果载荷、速度或油温升高，擦伤将扩展到更大的区域。擦伤以可接受的速度进行，称为适度擦伤。在初始擦伤后，如果载荷、速度或油温明显增加，则擦伤严重，重金属撕裂区域迅速蔓延。擦伤通常发生在节线附近，并可能发生振动。

1.2磨损

磨损是一种表面现象，在这种现象中，金属层从轮齿的接触面上或多或少均匀地被去除。磨损是指齿轮齿面材料的损失或去除。就齿轮失效而言，更多的是指齿轮齿廓形状的破坏，磨粒磨损和黏着磨损是重要的磨损形式。

由于润滑油或其他原因使得金属屑末、砂粒、灰尘等杂质落入齿轮啮合表面，这些杂质便成为磨料，当表面被磨粒割断时，便产生磨粒磨损。黏着磨损是由组成两个接触滑动表面之间产生的高吸引力所引起的。轮齿在随机的粗糙面上接触，形成了牢固的结合，随着两者之间连接区域逐渐增大，较硬齿面会将较软的齿面沿滑动方向产生撕滑沟槽，这种现象又称为齿面胶合，是一种比较严重的磨损。腐蚀磨损通常是由润滑油中的活性成分引起的，如酸、水分和极压添加剂等，是由各类化学作用所造成的表面劣化。

1.3轮面点蚀

轮面点蚀是轮齿的啮合面承受很大的脉动循环变化接触应力，长时间工作后齿面出现小片金属剥落并在节线附近形成麻点状凹坑。点蚀是一种Z常见的疲劳破坏，同时也是一种特殊的剥落形式，它的产生往往是由于齿面受到的反复加载和接触应力超过材料表面疲劳强度而产生的。发生点蚀时，疲劳区的材料被移除，形成凹坑。凹坑本身会引起应力集中，并很快扩展到邻近区域，直至整个表面被覆盖。随后，由点蚀引起的较高冲击载荷可能会导致已经弱化的轮齿断裂。但点蚀一般发生在数百万个运行周期后。点蚀通常有两种类型，即初始点蚀和破坏性点蚀。

初始点蚀发生在磨合?间。在磨合期，表面上过大的峰值被移动，并且?节线区域下方形成25～50μm深的小坑。随后，载荷分布在更大的表面积上，应力降低，此时点蚀可能会停止，这种现象在中等硬度齿轮中很常见。在磨合良好的齿轮上，因为形成的点蚀在轧制作用下逐渐变得平滑，磨合后点蚀可能会停止，所以对传动性能没有影响。

初始点蚀是非进行性的。在初始点蚀过程中，如果负载较高而无法对初始点蚀采取纠正措施来抑制点蚀过程，则会导致破坏性点蚀开始。点蚀遍布整个齿长，会导致接触表面承受更高的压力，从而将润滑剂挤压到裂纹中。当润滑剂侵入裂纹后，在压力的作用下，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加速了裂纹的扩展。点蚀开始于齿侧，由于滑动速度低，在该节点处存在高摩擦力，然后蔓延到整个侧面，一般发生在节线下方。硬齿面齿轮中，在交变应力作用下可能引起微观疲劳裂痕，从而导致材料从表面剥落。

1.4轮齿折断

齿轮Z危险的失效形式之一是轮齿折断。伴随着齿轮的损坏，同时还可能会损坏其他部件，如轴或轴承等。其中脆性断裂是一种变形较小的快速断裂，而韧性断裂则会在齿轮零件断裂前先发生变形。实际使用中也可能会同时发生脆性断裂和韧性断裂，我们称为混合型断裂。剪切断裂是由单个齿的过载引起的，它从齿轮内部的一个薄弱点开始，在这个薄弱点产生了超过材料强度所允许的应力，从而随着裂纹的增长，Z后导致一个轮齿的折断，根据断裂发生的方式，可分为随机断裂、过载断裂、根部、腹板或轮缘断裂等。

2　齿轮失效教学

判断齿轮失效，在机械检修维护中具有重要意义。齿轮失效的预检是机械设备检修维护的重要环节，准确预判和发现齿轮失效可以有效预防机械故障，保障机械结构稳定。反之，在机械检修维护过程中如果对齿轮失效进行误判和遗漏则有可能造成机械设备故障甚至严重事故。因此，掌握判断齿轮失效的方法对机械工程专业学生具有重要作用。

齿轮作为机械传动系统的重要组成部分，在常规机械设计基础教材中都有所涉及。其中，齿轮失效作为齿轮章节的重要组成部分，在教材中往往占据较大的篇幅。其中，图文介绍便是常规教材中对齿轮失效的常见表述形式。也正因如此，语言描述和图片介绍成为针对齿轮失效的常见讲授方式。近年来，随着工程技术发展，相关行业出现强烈的一线技术员工用人需求，由此对专业学生知识掌握水平的要求也发生了改变，面对这一改变，围绕比对法，判断法，检测法的课堂实践教学模式正是对齿轮失效章节教学实践的有效补充。

2.1比对法

比对法是常规机械设计基础针对齿轮失效教学的重要补充，同时也是系统学习齿轮失效的基础环节。这里所指的比对，是在现有常规教材图文描述基础上，利用相应失效齿轮实物进行比对，通过实际失效现象和图文的对照，实现对齿轮失效中不同失效现象类型的对应，从而产生更为直观的印象。

2.2判断法

判断法作为针对齿轮失效知识点的回顾和强化，对后续课程具有承上启下的重要作用。这里所指的判断，是在各类失效齿轮实物样品中，尝试判断失效的类型及分析失效原因，通过辨识判断故障齿轮，实现知识的强化巩固。

2.3检测法

检测法是机械检修维护岗位实际工作实践的模拟，同时也是检测学生是否真正掌握齿轮失效相关知识的有效途径。这里所指的检测，是让学生完全模拟齿轮组维护检修场景，通过检测手段及上述环节所学知识，检测判断齿轮组中故障失效齿轮，并判断失效种类及其原因。检测法作为齿轮失效教学课堂实践教学模式的Z后环节，通常在实际教学过程中作为对学生知识掌握情况的考核方式。

3　结语

本文简要回顾了齿轮失效分析的研究现状，讨论了齿轮在不同区域工作时的疲劳失效。当轮齿产生的应力高于允许的安全极限，大多数齿轮的失效形式是疲劳断裂、磨损和塑性变形。在这些条件下，接触处产生的热量要大得多，从而大大提高了胶合的可能性。通过在轮齿根部开减载孔，可以大大降低轮齿上产生的应力。同时针对齿轮失效研究的Z新进展和长期教学实践的结果反馈，阐释一种高效直观的教学实践方式，设计针对齿轮失效的实践课程体系并详细解释课程系统设计逻辑。