如何分析齿轮故障 分析齿轮故障

金属齿轮失效的原因有很多，其中一些原因与齿轮本身无关。评估齿轮损坏可能是一项挑战，尤其是在工业设备中。与旨在隔离特定故障模式的实验室测试不同，现场故障可能结合了几种模式。工程师很少拥有完整诊断所需的所有数据。..次故障后发生的损坏可能会改变受损齿轮的最终外观，使诊断更加复杂。

好消息是，常见的失效模式只有五种：弯曲疲劳、点蚀、微点蚀、擦伤和磨损。弯曲疲劳失效是齿根处循环弯曲应力的结果。应力来自啮合过程中沿齿廓移动的可变杠杆臂载荷。损伤过程分为三个阶段：裂纹成核、裂纹扩展和最终不稳定断裂。临界截面或裂纹成核点通常位于齿根圆角处。在这里，应力在缺口效应的推动下达到最大值。

裂纹成核后，通常会沿着齿根厚度的路径延伸，但根据齿轮的形状和刚度，裂纹可能会沿着不同的路径延伸。例如，重量轻、边缘薄的齿轮可能会沿着齿缘开裂。

断裂面通常有两个可区分的部分：疲劳裂纹扩展区域和最终不稳定断裂区域。当间歇性齿轮运转频繁中断裂纹扩展过程时，可能会出现所谓的“海滩痕迹”。海滩痕迹也可能出现在惰轮上，每个齿的两个侧面都会经历反向（交替）应力循环。

点蚀或宏观点蚀是由通过弹性流体动力学状态或附近的润滑膜传递的周期性接触应力引起的表面损伤。点蚀是齿轮故障的最常见原因之一。它还会影响减摩轴承、凸轮和其他机器部件，这些部件的表面在重载下会经历滚动/滑动接触

损坏通常只发生在齿根和齿节线之间的齿根负向滑动区域。当配对齿轮采用相同的材料和热处理时，齿数较少的齿轮会首先出现点蚀，因为该齿轮承受的负载循环次数较多。

点蚀始于表面下裂纹或表面裂纹的成核，然后在反复的接触载荷下扩展。最终，裂纹会变得足够大，变得不稳定并到达齿面。在那里，一小部分材料分离，留下一个约 100 米深的坑。大面积的点蚀损伤区域会改变齿廓并引发振动和可听见的噪音。这种类型的故障发生在全淬硬和表面淬硬齿轮中，尽管后者通常表现出所谓的微点蚀。

微点蚀是一种相对较新的现象，由于使用质量更好、更清洁的钢材制成的表面硬化齿轮（渗碳、氮化）的使用增加，微点蚀变得越来越普遍。现代润滑剂配有复杂的添加剂包，使齿轮能够在更极端的条件下工作，这可能会间接导致微点蚀。

微点蚀是指在齿面形成小凹坑，通常位于齿节线下方的负滑动区域。微点蚀与大点蚀类似，只是它们..次出现时比大点蚀小大约 10 倍，深度约为 5 至 10 米（0.2 至 0.4 英寸）。

这些凹坑从表面短裂纹中成核，并逐渐去除表面材料，类似于磨料磨损的情况。因此，工程师有时（错误地）将微点蚀标记为一种磨料磨损。但微点蚀实际上是齿面和次表层滚动/滑动接触疲劳的结果。疲劳来自边界或混合润滑状态下的反复法向和切向载荷。油膜厚度与平均表面粗糙度之比被认为是此类损坏的关键预测因素。

微点蚀具有光散射特性，使受影响区域呈现磨砂、浅灰色外观。这就是微点蚀也称为磨砂或灰色应变的原因。微点蚀会改变齿廓，主要发生在出现负滑动的齿面区域，但严重情况下可能会影响整个齿面。这种齿廓和啮合的改变会增加传动误差、动态载荷以及振动和噪音水平。此外，微点蚀和由此产生的表面裂纹通常是宏点蚀的候选位置。微点蚀还可能促使齿面弯曲疲劳失效。

擦伤，也称为“划痕”（根据齿轮标准，这是不正确的），是一种严重的粘着磨损，会立即损坏相对运动的齿面。事实上，一次过载就会导致灾难性的故障。擦伤将金属与金属接触的未受保护的表面焊接在一起。金属颗粒从一个或两个啮合齿上脱落并转移。在连续旋转过程中，这些颗粒会在滑动方向上刮伤齿面。这种类型的损坏通常发生在远离齿面的高接触压力和滑动速度区域。那里的条件不利于形成防止金属与金属直接接触的保护性润滑层。该保护层可能是厚油膜（相对于表面粗糙度）或由润滑剂添加剂形成的吸附层或化学沉积层。

无论如何，造成擦伤的原因是润滑剂和润滑条件，而不是材料强度。当齿面尚未磨合好时，新齿轮经常会发生擦伤。实验表明，新制造的表面只能承受磨合好的表面的 20% 的负荷。随着润滑剂随时间推移而降解或被金属颗粒或水污染，擦伤的风险会增加。有时很难区分表面划痕是瞬间擦伤还是磨损造成的。