减速机齿轮失效原因分析

减速机齿轮失效原因分析

陆建江

杭州杰牌传动科技有限公司 浙江杭州 311223

摘要：减速机是机械设备中重要的传动系统，其运行状态的稳定性对于设备系统的整体性能具有重要影响。齿轮作为减速机的关键零部件，在传递动力及改变速度的运动过程中，啮合齿面既有滚动，又有滑动，并且齿轮根部还受到交变弯曲应力的作用。在上述不同应力作用下，受恶劣工况因素影响，齿根和齿面易发生失效，甚至造成设备停机，影响生产效率。齿轮的失效形式多样，常见的形式为齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合与划痕、齿根疲劳裂纹和断齿。本文主要分析减速机齿轮失效原因。

关键词：减速机；齿轮失效；原因分析

引言

齿轮材料一般选用合金渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、35CrMo、40Cr等，齿轮毛坯一般经过下料→加热→锻造→预先热处理→粗车端面和外圆→铣齿和键槽→最终热处理等多道冷热加工工序，以获得较高的表面硬度和良好的心部韧性，使齿轮具有高耐磨，耐疲劳等综合性能。预先热处理通常采用正火以细化晶粒，降低硬度以获得良好的切削加工性能，为后序最终热处理做好金相组织准备。最终热处理主要采用渗碳、渗氮、氮碳共渗及感应淬火，以获得高硬度和耐磨性，提高其疲劳强度和使用寿命。

1、疲劳断齿

这是减速机齿轮断齿最常见的一种形态，也是最影响生产效益与安全的。齿轮是减速机中最主要的组成部件，在很大程度上直接影响着减速机的使用寿命和性能发挥。一般减速机的内部结构比较复杂，而且会涉及多方面的专业知识与技能，我们根据机械系统的运行原理以及内部机构进行分析，可知直齿轮在运行过程中使用交流电，在运行中容易受到电流的影响，一般沿齿长方向从根部折断，如果齿宽就会从齿端部折断，在荷载比较大的情况下很容易产生倾斜断裂，不仅影响交流电的传输效率，还影响着整个系统运行的稳定性与安全性。我们就断裂面形态观察，一般都呈现下凹的台阶形状。机械内部构件里重要的部件就是控制系统，由于DCS软件与硬件故障经常引起制动，通常在传输过程中会发出不均匀的响声，长期以往很容易使齿轮的一端齿顶部折断。

2、静力断齿

在机电设备实际运行过程中，机电设备的元器件或者电机组织等各种机电设备超过了其限定的电流，因齿轮负荷在瞬间就会增大，很容易造成模拟量信号故障，导致严重的过负荷损坏。与疲劳断齿相比较，静力断齿对减速机的使用寿命和性能损失更大一些。由于工艺生产一般都是极其恶劣的环境下进行，如果减速机在运作过程中切割到顶板的岩石或者坚硬的杂物，而减速机本身重力大，截煤滚筒容易卡在液压支架的金属顶梁部位无法运行，使整个传动系统受到巨大冲击力和动扭矩，这时其值可以达到电动机传递扭矩的7～8倍，在这样强大的载荷作用下，齿轮被迅速折断。静力断齿不像疲劳断齿有明显的疲劳裂纹发展痕迹，断裂面一般呈阶梯形或者曲线形状。

3、偏载断齿

偏载断齿的原因比较复杂，但是大部分断齿故障都是因为载荷不能与接触线均匀分布，造成主机和辅机保护误动。在减速机运行时，机壳和轴的刚性越差，偏载现象就会越严重，而且机械内部系统会带有温度计，其内部温度可见，可方便观测机械设备是否是正常运行，如果发现其温度偏高或者偏低，说明齿轮在运行中可能出现故障。尤其是当齿轮在两轴之间的偏置时，受到受载变形或者安装误差等影响，导致荷载不能与齿轮的接触线全长分布一致，当偏载最严重时，两轴就会向不同的方向弯曲，最终齿轮就会发生变形而引起折断。偏载断齿是采矿机械控制系统运行过程中比较常发生的现象，会对机械设备造成很大的损害，两齿轮面可能出现分布均匀的现象，齿轮的右端变形量最大，齿端部的齿根弯曲力要比不偏载时的承受力大出4～6倍，一旦机械设备发生偏载断齿，就会增加设备烧毁的几率。

4、增强齿轮机的润滑度

结合齿轮传动设备的应用特点，实现高效润滑电路，减少齿轮箱故障。因此，在调整有效润滑方式时，必须:第一，确保机械齿轮的合理润滑。使用机械设备时，良好的润滑控制可减少设备零部件的磨损程度。例如，在使用低速变速器的情况下，使用高粘度润滑油不仅可以提高变速器设备使用的效果，还可以满足机械齿轮箱的使用要求。第二，在定期更换润滑油的过程中，为了加快齿轮的磨损状态，可以避免换油速度。使用齿轮传动机时，为了保证设备的润滑程度，有必要从防止设备疲劳的角度科学地控制油的供应，从而提高机器齿轮箱的稳定性。随着对齿轮箱机器油供应的增加，网的挤压问题出现，局部产生压力，增加设备的接触电压。此外，对于更多的润滑油，高压会增加裂纹的数量，导致疲劳点的膨胀。因此，如果要使用齿轮机械，提高设备使用效果，就必须充分考虑供油问题，以便更好地提高齿轮机械的润滑能力。第三，得益于润滑剂的科学应用，通过调整齿轮箱润滑回路可以延长设备的寿命，重型设备可以避免变速箱的工作限制。因此，在使用某些机械设备时，必须使用强制润滑方法使牙齿表面和轴承处于良好的工作状态，提高设备的效率。

5、分析与讨论

在断口宏观分析中，整个断口的开裂和扩展面积较小，断口没有宏观塑性变形和疲劳性能，最后一刻断口面积约占断口的80%，表明断口时应力或外力过大。这个区域表面粗糙灰色，断口形状呈放射状，属于脆性断口。用扫描电镜技术进行显微分析，与超载造成的脆性断裂特征一致。在分析化学成分、巨型结构和非金属夹杂物时，原料满足齿形材料的要求。通过甲氧基分析和硬度试验表明，渗碳淬火件的金属结构、铁心结构和表面硬度均符合要求。硬化层区域被腐蚀后，表明各零件的硬化层深度满足要求，固化层连续，齿根无间断问题，表明渗碳淬火工艺良好，符合技术要求。冶金分析表明，内孔表面明显的表面硬化和辅助回火，这表明由于装配不当，齿轮在连接到传动系轴时会相对移动，使齿轮在工作过程中由于摩擦而过热，从而发生表面硬化和辅助回火。减速器的试验结果表明，材料组成、间质、粒径、硬度和穿透深度均符合要求。齿轮开裂的主要原因有:(1)由于线切割速度过高，齿轮钳加工粗糙，加工标记清晰，换档圆角形状不正确，使钳内应力集中恶化。从而在此形成开裂源，且裂纹在磨削应力的作用下逐渐扩大成锯齿状裂纹。此外，过多的送丝速度会在钥匙表面造成白色光亮层，而白色光亮层中会有许多微裂纹，导致随后的过程中扩散和开裂。在制造和使用具有尖锐凹边、凸边或居民的零件时，可以形成尖锐凹边、超切边或凸边过渡和裂纹。此外，在零件加工过程中，由于加工、切削刃形状和机床精度，加工表面的刀具痕迹粗糙，造成应力集中，性能变差。经检查发现，齿钳表面粗糙，表面清晰可见加工工具痕迹，钳根过渡圆角形状不正确，应力集中大。钥匙表面有一个白色的光亮层，是通过线切割得到的，这是一个含有大量残余奥氏体的淬火层。残余奥氏体是一种不稳定的结构，可能会继续变形为马氏体，导致更大的应力。当应力集中于过渡圆角时，过渡圆角的应力集中会恶化，从而导致微痕。2)渗碳层中的马氏体针粗糙，奥氏体残余含量过高，导致齿轮强度降低，脆性增大。

结束语

结合以上断口分析及微观分析结果可知，导致减速机齿轮断裂的原因为齿轮在装配过程中，齿轮与传动轴装配不当，出现相对移动，使齿轮在承受载荷时不能平稳的传递扭矩，导致该齿轮在出现过载时，超出材料所承受的疲劳极限而出现断裂。鉴于以上原因，齿轮在与传动轴装配过程中，要严格检测齿轮的转动情况，如有异常及时排除。同时在选择齿轮时，要充分考虑其承载力极限与减速机功率相匹配，保证在合理的载荷下运行。

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