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认识齿轮失效的原因有哪些?

认识齿轮失效的原因有哪些?

【摘要】:
金属齿轮失效,有多种的原因。一些,在部分上,是独立于齿轮本身的。评估齿轮损害是一个挑战,尤其是在工业设备上。与隔离特定失效模式的实验室测试不同,现场故障可能结合几种模式。很少的工程师具有为进行一次完全诊断多具备的数据资料。第一次失效后,发生的损害可能会改变损害齿轮的外形,这使得诊断变得麻烦。

  金属齿轮失效,有多种的原因。一些,在部分上,是独立于齿轮本身的。评估齿轮损害是一个挑战,尤其是在工业设备上。与隔离特定失效模式的实验室测试不同,现场故障可能结合几种模式。很少的工程师具有为进行一次完全诊断多具备的数据资料。第一次失效后,发生的损害可能会改变损害齿轮的外形,这使得诊断变得麻烦。

 

  好的消息是,只存在这五种通常的失效形式:弯曲疲劳,点蚀,微点蚀,变形,以及磨损。

 

  弯曲疲劳失效是齿根处循环弯曲应力的结果。应力来自于在啮合过程中,沿着齿廓移动的一个可变杠杆臂负载。这个损伤过程遵循了三个阶段:形成裂纹,裂纹扩展,以及最终的不稳定断裂。最终要的部分或者说形成裂纹的位置通常在于齿根部分。这儿,由冲孔效应所形成的应力,达到了最大值。

 

  裂纹形成之后,裂纹通常是沿着齿根厚度的路径。视齿轮的形状与刚度而言,他们能够采取不同的路径。例如,轻重量,边缘薄的齿轮通常沿着边缘产生裂缝。

 

  断裂的表面通常有两个可以辨别的部分;一个疲劳裂纹扩展区和一个最终的不稳定断裂区。当间歇的齿轮运转频繁地打断裂纹扩展的过程时,所谓的“滩痕”或许就会出现。滩痕或许也会出现在惰齿轮上,每个齿的两侧都能够看见一个反转(交替)的应力圈。

 

 

  点蚀或者宏点蚀指的是处于或者接近弹性动力学的情况下通过润滑膜传递的循环接触应力损伤。点蚀是齿轮失效最为常见的原因。它也会影响防磨轴承,凸轮,以及其它的机械零件。在其中,表面在重负载的情况下经历滑动接触。

 

  在齿根与节距线之间的区域,损伤往往是局限于负向滑动之间的区域。当配合的齿轮是同样的材质以及经历同样的热处理,可以预计在一些齿轮的齿上面会首先出现点蚀。因为在这里能够看见许多的负载圈。

 

  点蚀开始于地下或者表面断裂的裂纹,在重复的接触下裂纹就会继续扩大。最终,裂纹扩张到足够大的时候,其就会变得不稳定并且达到齿的表面。在那里,一小部分的材料分离,留下一个大约100m的深坑。一个大的点蚀损伤区域能够改变齿形并且触发震动以及可见的噪音。这种类型的失效既发生在完全硬化也发生在表面硬化的齿轮上,尽管后者所呈现的,被称为微点蚀。

 

  由于使用了由更好质量,更加干净的金属所制成的表面硬化的齿轮,微点蚀这一相对近期的现象已经变得非常普遍了。能够让齿轮在更加极端的情景下工作的包含复杂添加剂包的现代润滑油可能直接导致微点蚀。

 

  微点蚀是一种在齿面形成的小坑,通常在齿距线以下的负滑动区域。微点蚀与大点蚀相似,当他们第一次出现的时候,大点蚀是微点蚀的5至10倍,或者通常是5到10m.

 

  这些坑是从表面的断裂缝开始形成,并且逐渐地移除表面材料,这个就是类似于磨料磨损的情况。因为这个原因,工程师有的时候将微点蚀看作为一种磨料磨损的情况。但是,微坑事实上是由于齿表面与齿次层的滑动接触疲劳的结果。疲劳来自于边界或者混合润滑状态下的重复法向与径向负载。油层厚度与表面粗糙度的比值被认为是这类损伤的关键预测因子。

 

  微坑具有光散射特性,这能够使受影响的区域变成一个双状,浅灰色的外观。这个也就是为什么微点蚀被称作为结霜或者灰色紧张。微点蚀改变了齿廓,这主要出现在尺侧区域,但严重的情况下,这个能够涉及整个侧面。齿廓或者啮合的改变会增加传动错误,动态负载,以及振动与噪音水平。进一步而言,微点蚀或者表面裂纹是大点蚀的候选位置。微点蚀在尺侧也会促进弯曲疲劳失效。

 

  磨损,也被称为“得分”(不正确的根据标准),是一种严重的磨料磨损类型。在相对运动中,这个会立即损害齿面。事实上,一个单一的过载可能会导致严重的失效。

 

  在金属封结区域,磨损会与不受保护的区域融合在一起。金属颗粒从一个或多个啮合齿下脱落或者转移。在不断的旋转过程中,这些颗粒可能会刮伤滑动方向的齿侧。这种类型的损伤通常都是在高接触压力与滑动速度的区域中。条件是很难形成一种阻止直接金属封接接触的一种保护性的润滑层。这些保护性的润滑层可能是厚的油膜(相对于表面粗糙度而言)或者一个吸收的或者由润滑添加剂所形成的堆积层。

 

  不管怎样,润滑剂或者润滑条件,而不是材料强度,对于刮伤损伤负责。刮伤通常是发生在新齿轮身上,因为这些齿面还没有很好的磨合。实验表明一个新制造的表面只能够承担运转良好齿轮表面的20%负载。刮伤的危险,会随着时间的增加,润滑剂的降级而失效。或者因为受到金属颗粒与水的污染。有的时候,分清即时磨损的表面损伤是一件比较困难的事情。

 

  磨损是一个持续的过程,材料从匹配齿轮齿磨损的过程伴随有油的磨料颗粒。例如,齿轮侧的坚硬微凸面从匹配的侧面移除材料。从齿轮的表面移除坚硬的层将会加速磨损的进程。极端磨损的正齿轮有尖尖的齿并且有减少的轮廓接触比率。齿根的连续损伤将会削弱齿轮,直到它断裂。

 

  磨损通常发生在边界或者混合润滑的条件下,在这个场景中,缺乏厚的支持油膜。温和的抗磨添加剂将会保护带有吸附层或者反应层的表面在极端的润滑调剂下减少磨损。

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