在您的工作中，您可能遇到过齿轮失效，了解其原因对于防止代价高昂的停机时间至关重要。
从各种磨损类型到表面和整体疲劳，许多因素会影响齿轮的性能。制造缺陷和不当操作也可能起到作用。
通过探索这些失效模式及其潜在机制，您将获得延长齿轮寿命和优化系统性能的有价值见解。让我们深入了解齿轮失效的常见原因，并发现有效策略以保持齿轮的平稳运行。
齿轮磨损的类型和机制
您会遇到几种类型的齿轮磨损，每种磨损都有其特定的特征和原因。中度磨损是由反复使用、不充分的润滑或污染造成的，而过度磨损是中度磨损的进展，可能导致点蚀、振动以及潜在的故障。其他常见类型包括磨料磨损，由油中硬颗粒造成的径向划痕或凹槽；腐蚀性磨损，是由于润滑剂分解产生的酸性副产品导致的表面化学分解；以及粘着磨损（擦伤/咬合），这是金属对金属接触下的表面微焊接和撕裂的特征。
中度磨损：反复使用、不充分润滑、污染导致的接触模式改变
齿轮的中度磨损是由于反复使用、不充分的润滑和污染引起的。
- 反复使用改变了啮合齿轮齿之间的接触模式，导致磨损不均。
- 不充分的润滑破坏了保护油膜，允许金属对金属接触，加速磨损。
- 润滑系统中的灰尘或碎屑等磨料颗粒通过嵌入齿轮齿间并磨损表面导致中度齿轮磨损。
过度磨损：中度磨损进展导致点蚀、振动、潜在故障
如果不加以控制，齿轮的过度磨损可能很快导致严重问题。当齿轮在负载下啮合时，中度磨损导致接触模式更改，从而加速磨损。齿轮齿表面的点蚀、振动增大以及潜在的过早失效是过度磨损的常见迹象。
不充分的润滑是过度磨损的主要原因，它允许齿轮齿之间的直接金属接触。进入齿轮箱的污染物也加速磨损，因为它们起到了磨料的作用。
磨料磨损：润滑中的硬颗粒导致的径向划痕/凹槽
齿轮齿上的径向划痕或凹槽表明，由于硬颗粒夹在啮合齿轮之间的润滑剂膜中而造成的磨料磨损。这些颗粒，如金属碎屑或污染物，在齿轮旋转时刮伤齿的表面，留下典型的划痕。
颗粒的硬度、尺寸和浓度，以及润滑剂的类型及其保持保护膜的能力决定了磨料磨损的严重程度。清洁、高品质的润滑剂和有效的过滤系统有助于从油中去除有害颗粒，减轻这种磨损。
腐蚀性磨损：由于酸性润滑剂副产品导致的表面化学分解
腐蚀性磨损是由齿轮表面与润滑剂分解产生的酸性化合物之间的化学反应引起的。点蚀、蚀刻和表面退化是这种磨损的特征，它会削弱齿轮并加速其他失效模式，如磨料损伤和轴承损伤。
油品分析可以识别出润滑剂中腐蚀性化合物的存在，表明发生了腐蚀性磨损。为特定应用配制的高品质润滑剂在保持适当水平并按照推荐的时间间隔更换时，有助于防止腐蚀性磨损。
粘着磨损（擦伤/咬合）：在金属对金属接触下表面微焊接和撕裂
粘着磨损，又称为擦伤或咬合，是一种接触磨损，当齿轮齿之间的金属对金属接触导致表面微焊接和撕裂时会发生。这种磨损是由于润滑不足导致的，允许配合表面之间发生直接的金属接触。
随着齿轮的旋转，高局部温度和压力会导致表面的短暂焊接，随后撕裂，导致材料转移和表面损伤。转移的材料可能会脱落，形成硬质磨料颗粒，进一步加速磨损。
为了防止粘着磨损，适当的润滑是必不可少的。润滑剂在配合表面之间形成保护膜，防止直接的金属对金属接触，减少摩擦和磨损。润滑剂应具有适合操作条件的粘度和添加剂，以维持稳定的膜。
表面疲劳失效
您经常会遇到齿轮的表面疲劳失效，如点蚀、剥落和微点蚀。点蚀由于配合不良或超载会形成小坑，而剥落会在高应力区域留下浅而宽的坑。当润滑在高温下失效时，就会出现微点蚀或”白霜”。
点蚀：由配合不良（初步点蚀）或超载（破坏性点蚀）造成的小坑
点蚀是齿轮表面疲劳失效的一种常见形式，表现为齿面上的小坑。由于齿轮齿反复承受的应力循环造成，通常由配合不良、对准问题或超载引起。初步点蚀，或称微点蚀，源于配合不良或齿轮之间配对不良。破坏性点蚀发生在齿轮超载超过其设计能力时。
随着坑的生长和合并，它们会对齿面造成显著损害，降低齿轮的性能和寿命。
剥落：在高接触应力区域形成的浅而宽直径坑
剥落是一种表面疲劳失效，特征是在齿轮齿面高接触应力区域形成浅而宽的坑。这种损伤是由于赫兹疲劳造成的，即接触表面的反复应力循环导致的表层下裂纹发展。随着裂纹扩展并到达齿面，它们形成浅坑，降低齿轮的载荷能力和整体疲劳寿命。
剥落通常在初步点蚀削弱了齿面强度后出现，使其更容易受到进一步损伤。
微点蚀（白霜）：润滑膜在高温下失效造成的微小坑
微点蚀，也称作白霜，是齿轮的一种表面疲劳失效。当齿轮之间的润滑膜在高温下失效时，就导致金属直接接触。这种接触导致磨损和齿面上形成的微小坑。
润滑不足或过多的热量会导致油膜分解，这是微点蚀的主要原因。随着微坑随着时间的推移而合并成更大的坑区，齿面呈现出一种白霜状的外观。若不及时处理，微点蚀可能会缩短齿轮的寿命和效率。
整体疲劳失效
现在我们来看看齿轮的整体疲劳失效。齿弯曲疲劳是指在齿根积累的反复应力导致裂纹和破损。过载断裂是指由于严重的冲击或过载导致齿或整个齿轮的突然断裂。
齿弯曲疲劳：从反复的弯曲应力导致的基部裂纹/破损
齿弯曲疲劳是齿轮失效的常见原因，当齿根在反复应力下形成微观裂纹，并最终导致齿破损时发生。裂纹通常从表面开始向内传播，削弱齿直至其不能再承受负载。
- 像超载、不对准和润滑不良这样的因素都会加速齿轮齿疲劳失效。超载齿轮超过其设计能力，会对齿产生过度应力，增加疲劳裂纹的概率。
- 齿轮不对准，由于安装不当或轴承磨损造成，会导致负载分布不均，增加特定齿上的应力。这种不均负载加速了疲劳裂纹的形成和扩展。
- 不充分或不适当的润滑会导致齿轮齿间摩擦和热量增加。这种增强的摩擦和热量造成的表面损伤，如点蚀或拉伤，充当应力集中器并推动疲劳裂纹的出现。
过载断裂：因冲击或严重过载导致的齿/齿轮突然断裂
当齿轮承受超过其极限强度的极端负载或冲击时，过载断裂就会发生。与渐进的疲劳裂纹不同，断裂是在没有预警的情况下突然发生的。过度的冲击负载会超过齿齿的屈服强度，导致立即断裂。
过载断裂的断裂面比疲劳破损的断裂面更粗糙和不规则。断裂面边缘显得更加锋利和突然。适当的齿轮设计和防护措施可防止过载故障。
其他失效模式
除整体疲劳失效外，您还应注意其他一些常导致齿轮失效的模式。这些包括高摩擦和接触应力导致的塑性变形、热处理缺陷导致的不规则硬度和微结构问题，以及如齿形不准确或表面光洁度不佳的制造问题。安装过程中错误操作以及突然的冲击载荷也可能导致齿轮提前失效。
塑性变形：高压/摩擦下塑性流动改变齿形
塑性变形在极端压力和摩擦下永久改变齿轮齿形。当拉伸应力超过材料的屈服强度时，齿的几何形状通过塑性流动发生扭曲。原子键超出其弹性限度，导致不可逆的变化。
变形的齿无法正确地与配合齿轮啮合，增加噪音、振动和磨损。当齿轮承受超出其设计限制的负载时就会发生塑性变形。材料的屈服强度，通常以兆帕（MPa）或每平方英寸磅（psi）测量，决定了齿轮的载荷能力。
为了防止塑性变形，应选择由适当屈服强度材料制成的齿轮，以应对预期的负荷。由高强度钢如AISI 4140或4340制成的齿轮，其屈服强度范围为655到1655 MPa（95000到240000 psi），适用于高要求的应用。
热处理缺陷：不规则的硬度、残余应力、微结构问题
不当的热处理可能导致齿轮的不规则硬度、残余应力和微结构问题。淬火，即快速冷却过程，如果操作不当，可能导致变形和开裂。回火，即再加热以消除内应力的过程，如果不够，会导致齿容易脆断。
为了防止这些缺陷，制造商必须遵循针对齿轮材料和应用的既定热处理程序。这些程序规定了热处理过程每个步骤的适当温度、持续时间和冷却速度。
制造缺陷：齿形错误、表面光洁度问题、夹杂物
齿轮的制造缺陷，如齿形错误、表面光洁度问题和夹杂物，会导致过早失效。齿形错误导致负载分布不均和过度磨损。齿形的错误常见于不正确的渐开线形状或节距变化。由机加工或磨削造成的较差的表面光洁度会增加摩擦、热量生成和疲劳。齿料中的夹杂物在加载下形成裂纹起始的薄弱点。
处理和安装错误
操作期间的事故或未关注正确的维护程序常导致齿轮损坏。润滑不足会加速磨损，可能由于使用了错误的润滑剂或没有正确应用。
过度接触水会导致腐蚀。在制造过程中热处理不充分会使齿轮在受载时容易变形。
冲击负载
冲击负载是齿轮损坏的一种严重形式，发生在施加突然负载导致齿轮齿的强力影响时。这些冲击负荷可能比齿轮的正常工作负荷高出数倍，导致立即断裂或疲劳裂纹的形成。
疲劳裂纹会迅速发展，并随着继续使用而扩展，导致齿轮过早失效。应避免齿轮的突然启动和停止以防止冲击负载。平稳、逐步的功率传输确保齿轮在设计负载能力范围内工作。
常见齿轮失效原因统计
- 齿弯曲疲劳：20-30%
- 由超载或循环应力超过齿轮齿的弯曲强度引起
- 齿表面疲劳（点蚀）：20-25%
- 由于重复高接触应力导致表面疲劳和最终的点蚀
- 齿磨损：15-20%
- 由于磨料颗粒、缺乏润滑或污染导致的表面磨损
- 过热：10-15%
- 由冷却不足、超载或高操作速度导致的热量积聚
- 齿剪切：5-10%
- 当突然的超载或冲击负载超过齿轮齿的剪切强度时发生
- 不对准：5-10%
- 由不当安装、轴承故障或轴偏转导致的负载不均引起
- 材料缺陷：3-5%
- 由制造过程中存在的杂质、空洞或不当热处理引起
- 润滑失效：3-5%
- 由于润滑不足、错误的润滑剂选择或污染导致
- 腐蚀：2-3%
- 由于暴露在腐蚀性环境或不当储存条件引起
- 其他原因：2-3%
- 包括如共振、电损伤或制造误差等因素
预防策略
为了防止齿轮失效，您应实施有效的润滑管理实践，包括使用具有正确粘度的优质油品，定期更换油品以及使用过滤器。污染控制也很重要，因此应密封齿轮箱，使用过滤器，并进行油品分析以去除颗粒。通过精确安装齿轮和进行对齐检查，确保正确的安装和对齐，避免不对准。
润滑管理：高质量、适当粘度的油，定期更换，过滤
油品必须具有适合特定齿轮应用的粘度。定期更换油品是保持油品清洁和性能的必要条件。过滤系统可以去除油中的污染物，延长油品的使用寿命。
油位检查应成为例行维护的一个部分。低油位可能导致润滑不足和齿轮损坏。监测油温可以提供潜在问题的早期预警。高温可以表明过度磨损或润滑不当。
污染控制：密封齿轮箱，过滤，油分析以去除颗粒
有效的污染控制是齿轮箱维护的重要组成部分。
- 密封齿轮箱是防止灰尘和湿气渗入的第一道防线。安装高质量呼吸器，以允许压力平衡同时过滤掉颗粒。更换磨损或损坏的密封件和垫圈，以保持齿轮箱壳体的完整性。
- 定期检查加油孔区域是否有污染迹象并彻底清洁。根据齿轮箱的要求选择适当微米级别的滤芯。
- 定期进行油品分析，以监控污染水平和识别趋势。
- 密切关注金属屑的存在，因为它可能表明齿轮或轴承的过度磨损。
正确安装/对中：精确安装，对中检查
安装齿轮时必须考虑齿轮几何结构和设计计算以实现正确啮合。不对中会导致齿轮齿上的负载不均，导致磨损加速和潜在破损。
负载管理：避免超载，使用缓启动和适当的服务系数
齿轮超载可能导致过早失效，从而导致代价高昂的停机和维修。为了防止超载，齿轮的压缩应力必须保持在齿轮材料的允许应力范围内。
可以实施缓启动以减少启动时的冲击负载，最大限度地降低齿破损和表面疲劳等常见失效模式的风险。缓启动逐渐增加齿轮上的负载，允许平稳过渡并减少应力。
状态监测：振动分析、油品分析、温度跟踪以早期检测问题
状态监测技术如振动分析、油品分析和温度跟踪有助于早期检测潜在的齿轮箱问题。
- 振动分析识别出不正常振动，表明不对中、磨损或损坏。
- 油品分析监测润滑剂的健康状况，并识别加速部件磨损的污染物。
- 视觉检查，以识别裂纹、点蚀或其他应力迹象。
- 温度检查，检测由于润滑不足或超载引起的异常温度上升。
