3分鐘講清工業(yè)齒輪箱的失效問題和防護(hù)

工業(yè)齒輪箱是組成工業(yè)裝備傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，廣泛用來實(shí)現(xiàn)變速、改變轉(zhuǎn)矩、離合以及分配動力等功能。一個典型的工業(yè)齒輪箱主要由箱體、箱蓋、齒輪軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件裝配而成。在服役過程中，以上構(gòu)件都有可能發(fā)生損傷失效，造成運(yùn)行故障或安全隱患。

隨著工業(yè)裝備向大功率、長周期安全服役發(fā)展，齒輪箱關(guān)鍵零部件的可靠性把控成為裝備制造者關(guān)注的重點(diǎn)。及時了解工業(yè)齒輪箱的服役工況、關(guān)鍵零部件的失效模式及對應(yīng)的防護(hù)對策，可以指導(dǎo)工業(yè)齒輪箱的損傷預(yù)防和延緩失效的發(fā)生，從而延長工業(yè)裝備的服役壽命。

工業(yè)齒輪箱在長期運(yùn)行中可能會遇到多種失效模式，常見的工業(yè)齒輪箱零部件損傷失效有箱體失效、齒輪失效、軸磨損或斷裂失效、軸承失效等；

（1）箱體損傷失效及防護(hù)

齒輪箱箱體主要用來支撐和包容齒輪等關(guān)鍵零部件，承載潤滑油。箱體的失效形式主要為：

a.     箱體裂紋：在鑄造時冒口位置散熱速度慢，常造成組織粗大等缺陷，引起力學(xué)性能下降。箱體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角位置常伴有應(yīng)力集中，在有外部腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

b.    密封失效：密封件老化或損壞導(dǎo)致潤滑油泄漏，影響潤滑效果。

c.     箱體變形：長期受力不均可能導(dǎo)致箱體變形，影響齒輪的嚙合精度。

為有效防止箱體失效，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝方面入手，一方面增加足夠的圓角過渡緩解應(yīng)力集中，引入加強(qiáng)筋提高箱體剛度等。另一方面在制定鑄造工藝時重點(diǎn)關(guān)注鑄件的冒口位置，如通過加冷鐵激冷等方式可有效避免粗大晶粒的生成，從而獲得良好的綜合力學(xué)性能。此外通過優(yōu)化箱體涂裝工藝，可有效防止腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，實(shí)現(xiàn)箱體延壽。

（2）齒輪損傷失效及防護(hù)

齒輪是傳動系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的零部件，也是最易產(chǎn)生損傷失效的零部件。齒輪失效的主要形式為：

a.     齒輪塑性變形和齒根斷裂：在重載傳動時，齒輪副軟齒面難免因屈服產(chǎn)生塑性變形，造成齒形偏差，進(jìn)一步發(fā)展使得應(yīng)力集中的根部位置發(fā)生折斷 。

b.    齒面點(diǎn)蝕：齒面點(diǎn)蝕是齒面失效的一種形式，多發(fā)生在齒根面上節(jié)線處，節(jié)線處齒輪副的相對滑動速度低，形成油膜的條件差，容易出現(xiàn)潤滑不良。齒輪嚙合面直接接觸產(chǎn)生較大的摩擦力直接造成微小裂紋，加之滲入潤滑油的擠壓作用造成小區(qū)域剝落，形成齒面麻點(diǎn)。

c.     齒面粘連剝落：在重載傳動中，齒輪的齒面嚙合區(qū)局部高溫環(huán)境會引起潤滑失效，造成兩金屬面直接接觸粘連，在隨后的相對滑動中出現(xiàn)齒面膠合失效，軟齒面材料將會被犁溝帶走。

d.    持續(xù)齒面磨損：在潤滑不足和多塵環(huán)境下，齒面磨損難以避免，粉塵、磨損產(chǎn)生的金屬屑都會引起齒面間磨粒磨損，齒面磨損到一定程度會造成齒輪箱異常振動，最終導(dǎo)致傳動故障 。

為防止齒輪失效，在設(shè)計加工環(huán)節(jié)就應(yīng)降低損傷。通過合理選擇制造工藝，增加易產(chǎn)生應(yīng)力集中位置處圓角過渡，采取熱處理滲碳滲氮手段提高齒面硬度，保證足夠的潤滑環(huán)境及潤滑油清潔度等，必要時還需針對具體服役工況提高潤滑液粘度及散熱性達(dá)到良好潤滑。

（3）軸磨損和失效防護(hù)

在長時間工作過程中，齒輪軸的磨損難以避免。軸失效的主要表現(xiàn)形式為：

a.     軸磨損：磨損直接造成原配合面的松曠，對外表現(xiàn)為異常振動和聲響，嚴(yán)重時還會造成潤滑油外漏和偏載。

b.    齒輪軸塑性變形：齒輪軸在服役過程需承受較大的扭矩，在強(qiáng)扭矩作用下齒輪軸有發(fā)生彈塑性變形的趨勢。

c.     齒輪軸斷裂失效：即使在低應(yīng)力狀態(tài)，長期的交變載荷也會引起材料的疲勞破壞，引起齒輪軸斷裂失效。

合理選擇材料和加工工藝對于提高齒輪軸的疲勞強(qiáng)度尤為重要，此外在熱加工過程要嚴(yán)格規(guī)避夾雜物，因?yàn)檫@往往是后期齒輪軸發(fā)生脆性破壞的根源。

（4）軸承的失效和防護(hù)

軸承是工業(yè)齒輪箱中重要的零部件，用以支撐旋轉(zhuǎn)體，減小摩擦系數(shù)。軸承失效是齒輪箱失效的一個重要故障源，尤其低速重載工況下軸承難以形成良好的潤滑條件，從而引發(fā)系列失效問題。滾動軸承的主要失效形式主要為：

a.     滾動軸承失效：滾動體與內(nèi)外圈通過點(diǎn)接觸發(fā)生滾動，接觸應(yīng)力大，由此引起的失效形式主要有磨損、接觸疲勞。另外滾動軸承的保持架也是易損壞的部件之一，在安裝不當(dāng)和過載運(yùn)行時產(chǎn)生的軸向載荷，沖擊載荷常引起保持架的變形失效、支柱斷裂或脫焊。

b.    滑動軸承失效：失效形式多為疲勞剝落、磨粒磨損等 。軸承磨損常在潤滑不足時發(fā)生，外來硬質(zhì)粒子直接造成軸承表面犁溝狀擦傷，另外潤滑條件嚴(yán)重惡化時還會因摩擦面微區(qū)焊合引起黏著磨損。游隙是軸承安裝時重點(diǎn)考慮的參數(shù)，適量增大游隙可保證軸承的潤滑和散熱，但游隙過大會削弱軸承抵抗沖擊載荷的能力。