齒輪常見故障教學實踐研究

孟瑩

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學院）

摘　要：齒輪失效的基本原因是齒輪磨損、點蝕、折斷等，當工作應力超過Z大允許應力時，齒輪通常會失效。分析由于應力集中引起的輪齒疲勞失效的類型，結(jié)合教學實踐進行闡釋并提出針對齒輪常見故障的課程講授方式及教學創(chuàng)新。

0　引言

在現(xiàn)代機械工程中，齒輪是傳遞運動和動力Z常用的零件，它可以實現(xiàn)準確的傳動比，具有較長的使用壽命。在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程體系中，如何判斷齒輪失效，合理設(shè)計齒輪傳動是課程重要的知識結(jié)構(gòu)組成部分，同時也是機械工程專業(yè)學生在相關(guān)崗位工作中所需的重要能力。在機械結(jié)構(gòu)中，齒輪是傳動裝置中的零件，允許力在不打滑的情況下完全傳遞，齒輪的設(shè)計和功能通常是密切相關(guān)的。各種類型的齒輪已被開發(fā)來執(zhí)行不同的功能。

對于高速機械，可以改變轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，將原動機提供的高轉(zhuǎn)速輸入轉(zhuǎn)換成具有較低轉(zhuǎn)速和較高轉(zhuǎn)矩的輸出。不同類型的齒輪特性在機械設(shè)計基礎(chǔ)教材文本中都有所論述，而這些齒輪在使用過程中也會伴隨著因各種原因而造成的失效。在大多數(shù)情況下，除了噪聲和振動的增加外，齒輪發(fā)生故障通常是所有機械部件問題的跡象。

齒輪失效的形式很多，如齒面磨損、膠合、點蝕或塑性變形、輪齒斷裂等。對齒輪而言，Z常見的疲勞失效形式是齒面接觸疲勞和輪齒彎曲疲勞。導致疲勞產(chǎn)生的原因包括齒輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、齒輪裝配不正確、錯位、過載或關(guān)鍵區(qū)域的次表面缺陷的意外應力升高，以及使用不正確的材料和熱處理方法等。因此，熟悉齒輪失效形式并準確判斷齒輪狀態(tài)是機械工程方向?qū)W生應當掌握的一個重要知識節(jié)點，而為此設(shè)計一套合理高效的授課形式尤為重要。相較于常規(guī)教學中的圖文形式，齒輪的常見故障教學中應更加強調(diào)實踐比對、檢測和判斷。以下將對圍繞比對法、檢測法、判斷法的課堂實踐教學模式進行論述，該教學模式在圍繞齒輪常見故障的教學實踐中具有較好的效果。

1　齒輪失效分析

齒輪失效是指當齒輪不再能有效完成其預定工作時，齒輪發(fā)生失效。齒輪失效可分為齒面失效（如擦傷、點蝕和磨損等）和輪齒失效（如彎曲和沖擊等）。齒輪失效可能在各種形式下發(fā)生，如果在設(shè)計階段采取措施，以防止各種失效的發(fā)生，則可發(fā)展出完善的齒輪設(shè)計。

1.1擦傷

擦傷可能是由于接觸區(qū)域的潤滑失效產(chǎn)生，也可能是金屬與金屬直接接觸，由于金屬接觸而產(chǎn)生的焊接和撕裂作用迅速而連續(xù)地去除金屬，直到負載、速度和油溫保持在同一水平。同時，也將擦傷分為三種，即初始擦傷、適度擦傷和破壞性擦傷。

初始擦傷出現(xiàn)在先前加工留下的高點處，這些高點處的潤滑失效會導致初始擦傷。一旦這些高點被移除，當載荷分布在更大的區(qū)域時，應力就會降低。如果負載、速度和油溫保持不變或降低，擦傷將停止。初始擦傷是非漸進式的，并有與之相關(guān)的糾正措施。初始擦傷后如果載荷、速度或油溫升高，擦傷將擴展到更大的區(qū)域。擦傷以可接受的速度進行，稱為適度擦傷。在初始擦傷后，如果載荷、速度或油溫明顯增加，則擦傷嚴重，重金屬撕裂區(qū)域迅速蔓延。擦傷通常發(fā)生在節(jié)線附近，并可能發(fā)生振動。

1.2磨損

磨損是一種表面現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，金屬層從輪齒的接觸面上或多或少均勻地被去除。磨損是指齒輪齒面材料的損失或去除。就齒輪失效而言，更多的是指齒輪齒廓形狀的破壞，磨粒磨損和黏著磨損是重要的磨損形式。

由于潤滑油或其他原因使得金屬屑末、砂粒、灰塵等雜質(zhì)落入齒輪嚙合表面，這些雜質(zhì)便成為磨料，當表面被磨粒割斷時，便產(chǎn)生磨粒磨損。黏著磨損是由組成兩個接觸滑動表面之間產(chǎn)生的高吸引力所引起的。輪齒在隨機的粗糙面上接觸，形成了牢固的結(jié)合，隨著兩者之間連接區(qū)域逐漸增大，較硬齒面會將較軟的齒面沿滑動方向產(chǎn)生撕滑溝槽，這種現(xiàn)象又稱為齒面膠合，是一種比較嚴重的磨損。腐蝕磨損通常是由潤滑油中的活性成分引起的，如酸、水分和極壓添加劑等，是由各類化學作用所造成的表面劣化。

1.3輪面點蝕

輪面點蝕是輪齒的嚙合面承受很大的脈動循環(huán)變化接觸應力，長時間工作后齒面出現(xiàn)小片金屬剝落并在節(jié)線附近形成麻點狀凹坑。點蝕是一種Z常見的疲勞破壞，同時也是一種特殊的剝落形式，它的產(chǎn)生往往是由于齒面受到的反復加載和接觸應力超過材料表面疲勞強度而產(chǎn)生的。發(fā)生點蝕時，疲勞區(qū)的材料被移除，形成凹坑。凹坑本身會引起應力集中，并很快擴展到鄰近區(qū)域，直至整個表面被覆蓋。隨后，由點蝕引起的較高沖擊載荷可能會導致已經(jīng)弱化的輪齒斷裂。但點蝕一般發(fā)生在數(shù)百萬個運行周期后。點蝕通常有兩種類型，即初始點蝕和破壞性點蝕。

初始點蝕發(fā)生在磨合?間。在磨合期，表面上過大的峰值被移動，并且?節(jié)線區(qū)域下方形成25～50μm深的小坑。隨后，載荷分布在更大的表面積上，應力降低，此時點蝕可能會停止，這種現(xiàn)象在中等硬度齒輪中很常見。在磨合良好的齒輪上，因為形成的點蝕在軋制作用下逐漸變得平滑，磨合后點蝕可能會停止，所以對傳動性能沒有影響。

初始點蝕是非進行性的。在初始點蝕過程中，如果負載較高而無法對初始點蝕采取糾正措施來抑制點蝕過程，則會導致破壞性點蝕開始。點蝕遍布整個齒長，會導致接觸表面承受更高的壓力，從而將潤滑劑擠壓到裂紋中。當潤滑劑侵入裂紋后，在壓力的作用下，就有可能在裂紋內(nèi)受到擠脹，從而加速了裂紋的擴展。點蝕開始于齒側(cè)，由于滑動速度低，在該節(jié)點處存在高摩擦力，然后蔓延到整個側(cè)面，一般發(fā)生在節(jié)線下方。硬齒面齒輪中，在交變應力作用下可能引起微觀疲勞裂痕，從而導致材料從表面剝落。

1.4輪齒折斷

齒輪Z危險的失效形式之一是輪齒折斷。伴隨著齒輪的損壞，同時還可能會損壞其他部件，如軸或軸承等。其中脆性斷裂是一種變形較小的快速斷裂，而韌性斷裂則會在齒輪零件斷裂前先發(fā)生變形。實際使用中也可能會同時發(fā)生脆性斷裂和韌性斷裂，我們稱為混合型斷裂。剪切斷裂是由單個齒的過載引起的，它從齒輪內(nèi)部的一個薄弱點開始，在這個薄弱點產(chǎn)生了超過材料強度所允許的應力，從而隨著裂紋的增長，Z后導致一個輪齒的折斷，根據(jù)斷裂發(fā)生的方式，可分為隨機斷裂、過載斷裂、根部、腹板或輪緣斷裂等。

2　齒輪失效教學

判斷齒輪失效，在機械檢修維護中具有重要意義。齒輪失效的預檢是機械設(shè)備檢修維護的重要環(huán)節(jié)，準確預判和發(fā)現(xiàn)齒輪失效可以有效預防機械故障，保障機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。反之，在機械檢修維護過程中如果對齒輪失效進行誤判和遺漏則有可能造成機械設(shè)備故障甚至嚴重事故。因此，掌握判斷齒輪失效的方法對機械工程專業(yè)學生具有重要作用。

齒輪作為機械傳動系統(tǒng)的重要組成部分，在常規(guī)機械設(shè)計基礎(chǔ)教材中都有所涉及。其中，齒輪失效作為齒輪章節(jié)的重要組成部分，在教材中往往占據(jù)較大的篇幅。其中，圖文介紹便是常規(guī)教材中對齒輪失效的常見表述形式。也正因如此，語言描述和圖片介紹成為針對齒輪失效的常見講授方式。近年來，隨著工程技術(shù)發(fā)展，相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)強烈的一線技術(shù)員工用人需求，由此對專業(yè)學生知識掌握水平的要求也發(fā)生了改變，面對這一改變，圍繞比對法，判斷法，檢測法的課堂實踐教學模式正是對齒輪失效章節(jié)教學實踐的有效補充。

2.1比對法

比對法是常規(guī)機械設(shè)計基礎(chǔ)針對齒輪失效教學的重要補充，同時也是系統(tǒng)學習齒輪失效的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。這里所指的比對，是在現(xiàn)有常規(guī)教材圖文描述基礎(chǔ)上，利用相應失效齒輪實物進行比對，通過實際失效現(xiàn)象和圖文的對照，實現(xiàn)對齒輪失效中不同失效現(xiàn)象類型的對應，從而產(chǎn)生更為直觀的印象。

2.2判斷法

判斷法作為針對齒輪失效知識點的回顧和強化，對后續(xù)課程具有承上啟下的重要作用。這里所指的判斷，是在各類失效齒輪實物樣品中，嘗試判斷失效的類型及分析失效原因，通過辨識判斷故障齒輪，實現(xiàn)知識的強化鞏固。

2.3檢測法

檢測法是機械檢修維護崗位實際工作實踐的模擬，同時也是檢測學生是否真正掌握齒輪失效相關(guān)知識的有效途徑。這里所指的檢測，是讓學生完全模擬齒輪組維護檢修場景，通過檢測手段及上述環(huán)節(jié)所學知識，檢測判斷齒輪組中故障失效齒輪，并判斷失效種類及其原因。檢測法作為齒輪失效教學課堂實踐教學模式的Z后環(huán)節(jié)，通常在實際教學過程中作為對學生知識掌握情況的考核方式。

3　結(jié)語

本文簡要回顧了齒輪失效分析的研究現(xiàn)狀，討論了齒輪在不同區(qū)域工作時的疲勞失效。當輪齒產(chǎn)生的應力高于允許的安全極限，大多數(shù)齒輪的失效形式是疲勞斷裂、磨損和塑性變形。在這些條件下，接觸處產(chǎn)生的熱量要大得多，從而大大提高了膠合的可能性。通過在輪齒根部開減載孔，可以大大降低輪齒上產(chǎn)生的應力。同時針對齒輪失效研究的Z新進展和長期教學實踐的結(jié)果反饋，闡釋一種高效直觀的教學實踐方式，設(shè)計針對齒輪失效的實踐課程體系并詳細解釋課程系統(tǒng)設(shè)計邏輯。

（來源：設(shè)備管理與維修）