浅述减速机高速齿轮轴断裂失效及处理

霍亮

摘  要：机械长期的运行以及其运行过程中出现的摩擦问题，会导致齿轮的传动出现故障。齿轮失效不仅是机械内部运行造成的，一些外部因素也会导致齿轮失效，因此，需要从多个角度对齿轮失效的形式进分析，并结合其运行环境找出造成齿轮失效的关键因素，进而采取有效的解决措施提升齿轮运行的寿命与效率。

关键词：齿轮轴断裂;失效;处理

1 减速机高速齿轮轴断裂失效常见问题

1.1 齿面疲劳

齿面疲劳指的是在齿轮的表面出现了裂纹，主要特征是金属的移动与凹坑，并使凹坑合并或使尺寸增大，具体有齿面点蚀和疲劳剥损2种。其中齿面点蚀是指在齿轮运行中在高度接触下，齿轮表面因为接触应力较大且超出了正常值，在超荷载影响下就会出现裂纹。比如齿轮节线就是最早出现的裂纹部分，在持续接触应力作用下齿轮表面上麻点应力增大，齿轮表面会出现片状金属剥落，从而对齿廊产生破坏。关于疲劳剥损具体是指机械设备本身存在的潜在破坏，比如有较大颗粒物从齿面上脱落。一般来说，表面淬火的齿轮和硬齿面更容易发生疲劳剥损问题。

1.2 变形失效

在机械运行过程中，时常受到多方面因素影响而出现传动齿轮啮合不当问题，进而导致齿轮扭曲变形，出现飞边、齿面凹陷变形等一系列问题。此外在未及时开展传动齿轮润滑保养工作时，有可能出现齿面产生波纹、变形等失效问题。

1.3 轮齿折断

轮齿折断是齿轮常见的失效形式之一。在通常情况下，轮齿折断有以下两种情况：其一，疲劳断齿。轮齿在重复的交变应力作用下，由轮齿危险截面产生疲劳源，进而产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展，直至剩余截面上的应力超过轮齿的极限应力，形成瞬时断齿;其二，过载断齿。如果负载过大会造成轮齿折断的现象，当轮齿在正常传动过程中，突然受到强大的冲击，超出轮齿的负载能力范围，或者是在制造、安装齿轮时，精度不够高，使得齿轮啮合区偏载，传动过程中受到过大冲击负荷后造成的齿轮折损或出现固定折损位置，并且有非常明显的断裂面。

2 失效原因分析

2.1 轴的失效

在附加载荷作用下，轴的挠度和扭转角增大，将引起弯曲应力和扭转应力增加，加快轴的疲劳失效，随着时间的推移，造成轴的弯曲和扭转变形。同时，轴颈和轴承内圈形成边缘接触式运转，接触面积减小，加快轴颈的磨损。

2.2 轴承引起的失效

齿轮减速器使用的轴承为滚动轴承，主要失效形式有疲劳点蚀、磨损和塑性变形。疲劳点蚀是滚动体和内外圈接触处受脉动循环应力的作用产生的;磨损是滚动体和内外圈相互摩擦运动、点蚀剥落下来的金属微粒进入摩擦表面、润滑不良等原因造成的;塑性变形是轴承受过载或过大的冲击载荷，使轴承元件永久变形产生的。

2.3 断口原因分析

带式输送机使用中，用来输送物料，物料从料斗中掉落在带式输送上，所以带式输送机载荷一直是在变化的，同时带式输送机因工作需要随时停止和启动，存在重载启动现象。经现场人员调查测量，现场其他同批带式输送机安装存在问题，驱动轴安装同心度存在超差。结合试验，该高速轴工作时除受到扭力外，还受到由于安装不同心造成的较大旋转弯曲力，同时存在重载启动现象。致使该轴受到较大的额外应力，在表面过早产生疲劳裂纹源，随着时间的推移，该轴在工作中受到不断变化载荷影响，疲劳裂纹不断扩大，直至最终断裂。

3 齿轮失效解决措施

3.1 选材不断优化

选材的优化应从齿轮的工艺性能要求、韧性、强度要求等方面全面考虑并选择最恰当的齿轮材料。目前，最常使用的材料就是低碳合金渗碳钢，含碳量相对比较低，却能够强化钢的淬透性和耐磨性。所以，可以选择冶金质量较佳的电渣重熔合金刚或是真空脱气精炼钢，这主要是因为此类材料的纯度相比更高，氧、氮或非金属杂质的含量过少，致密度相对来看反而更高，韧性和塑性也更强，继而可以有效减少齿轮中的机械性能与各向异性。

3.2 热处理

机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度，还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切强度的比值，它不能大于 0.55。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法，它可以得到高的芯部硬度，较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在 0.8%～1%为宜，由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火，表面硬度应达到 HRC58～62，要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺，氮的渗入深度一般控制在 0.2mm 以内，它不但能硬化表层，还能产生压应力，可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高 13%以上，寿命可提高 1 倍。热处理后，尚需进行油浴人工时效处理。

3.3 齿轮断齿造成失效

齿轮断齿造成的失效是整个机械工程中最为严重的情况，主要包括过载折断、疲劳折断随机折断等，对于过载折断来说，是指齿轮受到一次或者多次严重过载时发生的断齿，这种情况下，齿轮的断口一般位于齿轮根部，断口一般很平直且粗糙。疲劳折断是指齿轮在长时间高循环状态下使得齿根部位产生疲劳裂纹，出现折断，断口可以划分为疲劳断口面和最终断口面，疲劳断口区域内看不到塑性变形，疲劳折断可能发生在齿轮的端部。随机折断一般也发生在齿轮根部，但是特殊情况也会出现在其他部位。对于防范齿轮折断的措施有很多，可以增大齿根圆角半径，消除这一部位的加工刀痕以便减少齿根的应力集中，还可以增大轴及支撑物的刚度，以便减轻局部的受力程度，还可以对轮齿进行喷丸、碾压等冷作处理以便提高齿面。

3.4 正确的润滑剂

3.4.1结合工作实际情况使用

机械设备中的齿轮传动中的不同使用状况、润滑地点润滑方式、润滑剂种类、加注润滑剂量及周期进行准确记载，已摸索和总结出齿轮传动正确使用润滑剂的经验和规律，并能依据转动齿轮生产的规定进行维修计划的具体修订，满足现实齿轮传动润滑剂使用和变化，适时的调整润滑剂品种和剂量，确保齿轮传动顺利的进行。

3.4.2润滑剂的科学管理和使用

机械出现问题，很多时候和润滑剂量和润滑品种使用的不当有关，所以要根据机械正常投入使用的标准把控润滑剂品种技术参数指标和控润滑剂使用剂量。一般情况下，使用正确的润滑剂品种和正常的润滑剂量时机械设备不会发生机械故障，齿轮基本不会失效。不符合技术标准的润滑油品种和不足润滑油的计量以及超周期的加注，都会导致机械设备出现故障的致因因素。

4 减速机的维护与保养

减速机的日常维护和保养主要是巡检有无渗油，及时检查箱内液位，润滑情况是否良好，各处螺丝是否坚固完好，定期检查设备的温度情况，运行一段时间要用铅丝咬入齿轮的齿合位，以测磨损情况。润滑油就是相当重要了。

齿轮采用油池润滑和循环润滑两种形式。润滑油要定期检查更换，新安装的减速机第一次使用时，在运行了10天到15天是要及時更换新油，一般至少每半年更换一次，以后定期检查油的质量，在化验油质量时，在出现下列情况时，须立即更换油，一是润滑油中异物含量超过2%，二是润滑油中金属磨料超过0.5%，三是润滑油中含水量超过2%。轴承采用飞溅润滑，但每次拆洗重装时，要加入适量的钙钠基润滑脂。

5 结语

随着社会工业化程度的加深，齿轮在传动件中的应用越来越多。齿轮作为传动件中的重要组成工具，在机械工程中占据着重要位置，往往处在机械设施中的关键部位，所以，对其选择与应用需要慎重思考，掌握选择原则，以便适应较为复杂的工况条件，保证齿轮传动的有效性。

参考文献：

[1]苏发龙.减速机高速齿轮轴断齿及断轴分析与对策[J].中国设备工程，2017（21）：129～131.

[2]李运生.楼天明，许安心.回转窑主减速机高速齿轮轴断齿、断轴分析与对策[J].浙江冶金，2014（01）：27～31.

[3]马醇三.孙润冬.王晓明.邱开慧.F1轧机减速箱高速齿轮轴断齿分析[J].中国设备工程，2013（05）：37～39.