齿轮失效分析研究

摘要：系统地分析齿轮失效的各种因素，结合故障树，以轮齿折断为例，找出故障的原因，对设备管理、现场分析及设计方案不完善而引起的故障分析有很大的意义。

关键词：齿轮失效 故障树 故障分析

1 概述

圆柱齿轮传动由于具有传动比精确、结构紧凑、效率高及寿命长的优点，被广泛应用于各种工业部门，因而圆柱齿轮传动也成为各类机械中重要的零件之一。然而齿轮的失效却是造成机器故障的重要因素之一，会直接影响到整个机器的工作状态。

2 齿轮的失效分析

齿轮的失效形式由多种因素综合造成，且随着齿轮材料、热处理、运转状况等因素的不同而不同，其失效的主要形式有：①齿面耗损，包括磨料磨损、腐蚀磨损、胶合等；②齿面疲劳，包括点蚀、初期点蚀、剥落、表层压碎等；③齿面塑性变形，包括压痕、轮齿锤击塑变、呈波纹折皱等；④轮齿折断及裂纹等。

引起齿轮的失效的因素有许多种，可以从以下几个方面来分析：

设计因素：设计品质对产品的品质有着决定性的作

用。某雷达产品的天线俯仰机构中，小齿轮与轴通过键联结，由电机带动与大齿轮啮合，从而完成丝杆的伸缩运动。由于设计时小齿轮键槽开在齿根方向，齿根部强度薄弱，在受到短时过载的冲载荷作用时，轮齿承受的应力超过其极限应力，从而导致轮齿过载折断。找出原因后，经过重新设计计算，用轴齿轮代替原来的小齿轮，取消键联结方式，保证了齿根部的结构强度要求。

材质因素：齿轮的材料应根据其用途及工作条件来选择：速度较高的齿轮传动，齿面易产生点蚀，应选用高硬度材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿易折断，应选用韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿既易折断又易磨损，应选用机械强度大，经热处理后齿面硬度高的材料。

制造工艺因素：在齿轮加工过程中，由于机床、刀具、夹具和齿坯在制造、安装和调整时不可避免地存在一些误差，从而形成了齿轮的运动误差、平稳性误差和齿面误差，使齿轮的传动精确度降低。一对齿轮在相互滚碾冲击作用下，接触应力过高，传动啮合不良，易造成齿面塑性变形。根据齿轮材料，制定合理的加工、淬火等工艺规程，并严格控制工艺过程，可以有效地避免淬火裂纹及磨削裂纹的出现。

装配调试因素：由于安装装配误差，在机器长时间运作过程中，也会引起齿轮失效。如两齿轮装配中心距过大时，会造成齿顶部接触，使传动精度下降或产生冲击；中心距过小时，会造成齿根部接触，在运动中产生干涉现象；在安装过程中，电机轴和小齿轮的轴线之间的同轴度误差，小齿轮轴线和大齿轮轴线之间的平行度误差超出误差范围时，齿侧间隙和齿顶间隙在全齿宽上下不相等，重合度变小等，都对轮齿的正确啮合产生影响，在运行中产生冲击和振动。若未及时发现进行调整，将会造成齿轮副振动，引发小齿轮断齿。

运转维修因素：机器在使用过程中，若出现过载运转、操作失误、维修保养不善等因素，都会使失效的机率提高，增加了事故的可能性。另外，在齿轮传动中，条件的保证也是一项重要因素。条件包括：剂选择是否合适、方法、冷却加热、过滤系统是否合理可靠等方面。

3 齿轮异常的分析方法

一旦齿轮出现了异常的情况，应该如何正确判断，分析产生的原因呢？以轮齿的折断为例，可以从下面的故障树进行分析，确定主要因素，逐步分析。

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通过以上分析，可以找出导致轮齿折断的原因，对设备管理、现场分析及设计方案不完善而引起的故障分析有很大的意义。

4 结束语

在实际的生产中，用故障树分析法能有效地找到故障发生的原因，采取合理的措施，对设计的改善、降低维修费用、防止突发性事故意义重大。

参考文献：

[1]徐，蔡春源，严隽琪，等.机械设计手册.2版[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]郑焕文.机械制造工艺学[M].高等教育出版社，1994.

[3]周明康.对齿轮失效的因果分析[J].机械制造与自动化，2008（2）：59-60.

作者简介：陶烨（1970-），江苏启东人，工程师，主要从事雷达工程结构设计。