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摘要：機械齒輪廣泛應用于農業機械，在工作過程中會存在齒輪失效的情況，目前主要的失效形式有齒牙折斷、齒面膠合、磨損和燒傷等。本文分析了導致齒輪失效的主要原因，提出了相應的預防措施，目的是促進齒輪使用時間的延長。

關鍵詞：農業機械；齒輪失效；原因；預防措施

齒輪傳動在拖拉機等農業機械中的部件包括驅動橋、變速器、發動機等，機械工作中，齒輪處于嚙合的輪齒會發生接觸，并且存在切線滑動。當受到外界載荷后，除了會作用在輪齒根部的彎曲應力，由于存在相對滑動會使齒面出現摩擦，這個時候就出現接觸應力[1]。在各種力的影響下，會導致齒輪失效，主要表現為齒牙折斷、齒面膠合、磨損以及燒傷等。

1齒輪失效的定義

機械零件失去原有功能，這種情況叫做零件失效。傳動機械中，最主要的零件失效是齒輪失效，占比很高，齒輪失效的原因是：齒輪傳動過程中，主要運動部分是主動輪以及從動輪，接觸部分是輪齒，而其他部分只要保證強度符合要求即可，很少存在失效情況。

2引起齒輪失效的主要原因分析

齒輪失效形式包括兩種：一種是齒輪磨損，另一種是齒輪損傷（主要形式為輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合以及塑性變形等）。齒輪磨損主要原因是：齒輪嚙合過程中，輪齒接觸面由于摩擦出現過度損耗；輪齒損傷的原因是：齒輪材料由于材料原因、尺寸原因、精度原因和使用狀態等，在制作和使用中會受到不同程度損傷。當齒輪損傷積累到某個程度后，會使齒輪功能喪失，導致齒輪損傷的主要原因比較多，主要有材料選擇、設計原因、毛坯、機械加工、熱處理、安裝原因等。齒輪承載能力的決定因素包括：使用材料、齒輪狀態、運行速度、潤滑情況、齒輪類型和參數等。（1）齒牙折斷。①過載折斷。短時間過載或嚴重超出載荷都會發生載荷過大的情況，會導致輪齒發生過載折斷。導致輪齒斷裂的過載原因有：突然性的沖擊載荷；軸承損壞導致的輪齒過載荷；軸彎曲導致的過載荷等，過載折斷的齒輪，主要類型是鋼制齒輪或鑄鐵齒輪。如果為滲碳齒輪，齒輪輪齒中心硬度比較低，會導致裂紋，導致輪齒整體斷裂。②疲勞折斷。如果齒輪根部交變應力超出了使用材料疲勞限度，齒根圓角會出現疲勞裂紋，當裂縫繼續延展后，會使齒根發生彎曲疲勞折斷。斜齒圓柱齒輪以及人字齒輪產生的齒根裂紋會斜著延伸，斷面平滑，裂紋為貝殼樣，疲勞折斷的原因是設計問題、過載、接觸原因等[2]。（2）齒面膠合。齒輪低速傳動過程中，因為輪齒接觸不規則，增加了齒面局部壓力，沒有產生潤滑油膜，或潤滑油沒有產生一定的油膜厚度，齒面金屬直接接觸，會提高溫度發生熔焊，隨后會撕扯導致溝痕出現，被稱為冷膠合。當高速重載齒輪傳動過程中，會導致溫度過高，接觸表面熔焊使滑動方向出現溝痕，被稱為熱膠合。（3）齒面磨損。這種情況通常是輪齒接觸面發生損耗，當外界灰塵等掉入嚙合區，滑動運動進行下，會導致齒面嚴重磨損，被稱為磨粒磨損。齒輪厚度變薄后會導致折斷，磨損的原理包括磨料磨損、腐蝕磨損以及刮傷，造成齒輪損毀的磨損是因為潤滑油使用問題、齒輪設計問題和材料問題等。根據磨損原理和特點不同，齒輪磨損類型主要有輕微程度、中等程度、磨損過度、磨粒磨損以及腐蝕磨損等。輕度磨損的特點是磨損緩慢和均勻，齒面磨損后會變得光滑和發亮，導致輕微磨損主要原因是齒面接觸部分粗糙程度同潤滑油粘度、工作載荷以及齒面速度不匹配，多種因素會導致齒面潤滑油沒有發揮作用，對齒面造成磨損。當齒輪被磨平以后，可以選擇粘度比較高的潤滑油，可以起到充足潤滑的作用，不會對齒輪壽命造成影響。中等磨損指的是：輪齒上下齒面材料會散失，由此出現持續的磨損線，原因是受齒輪速度不同載荷、溫度、潤滑油影響下，只能對邊界起到潤滑作用，可以潤滑調節，使油膜變大避免磨損加重。過度磨損的原因是：輪齒的齒面材料受到磨損，使輪齒厚度下降，破壞了輪齒形狀，齒輪使用壽命大幅度下降；磨損過度的原因是：潤滑系統以及密封情況比較差，系統振動和沖擊幅度比較大導致；預防措施為：選擇恰當的密封方式和潤滑設備，可以加快齒輪工作速度，避免外界振動，調節齒輪參數，選擇合適的制造材料、制造精度和齒面粗糙度；磨粒磨損的主要原因是外界灰塵雜物進入齒面中導致發生磨損，可以使齒面硬度提高，避免齒面滑動，選擇合適的潤滑方式，使潤滑油保持清潔等避免磨粒磨損。腐蝕磨損指的是：輪齒齒面因為腐蝕，出現不同坑，導致腐蝕磨損原因是：潤滑物質同輪齒材料發生反應，因為摩擦作用，導致腐蝕。要避免出現腐蝕，需要很好的控制腐蝕介質，可以將避免腐蝕的物質加入潤滑油，減少化學反應。齒輪裝置要做好相應的密封，避免潤滑油受到外界物質污染。（4）齒面燒傷。導致齒面燒傷的主要原因包括：過載、速度過快、潤滑不合適等，從而導致齒輪摩擦過度升高了局部溫度，高溫會使齒輪變色和淬火。齒面燒傷會提高表面疲勞程度。因此齒輪最好選擇滲碳淬火齒輪、滲碳淬火后的金屬具有更好的耐磨性。（5）齒面塑性變形。當受到重載荷以后會使金屬表面發生塑性變形，如果齒輪齒面硬度低，當短時間過載或摩擦過大，會導致齒輪發生塑性變形，依據塑性變形的特點，主要包括三類：壓塌及飛邊變形、波紋變形以及起皺變形。引起齒輪齒面塑性變形的主要原因包括：熱處理不當、潤滑問題、載荷過大。熱處理不當指的是：齒面硬度不符合技術要求，主要為表面發生脫碳，熱處理工藝問題導致齒面硬度過低等。齒輪硬度過低會導致齒面出現點蝕，如果是硬度高的齒輪會導致齒根折斷，閉式齒輪傳動最普遍的失效形式就是點蝕。在進行機器檢修的過程中，可以發現齒面上出現了不同的凹坑，如果齒面進行了滲碳淬火，會出現斑塊或金屬剝落。原因是輪齒嚙合過程中，輪齒齒面接觸部位在力的影響下會出現接觸應力，當把齒輪分開后就會消除這個應力，齒輪工作面的某一點，會因為受到接觸應力導致輕微的疲勞裂紋。當裂紋不斷擴展后，會使齒面金屬微粒發生脫落，出現不同凹坑，這種情況普遍出現在節線齒根面；當輪齒節線部位齒根接觸強度過低，運動速度比較慢，潤滑效果會降低，會使摩擦力提高。分析上面的原因后，為了避免提前出現點蝕，可以增強齒面硬度、提高潤滑油年固定，減少表明粗糙度，使齒輪壽命增加。當載荷過大的時候，會使齒輪發生齒面膠合，當齒輪處于惡劣的工作環境下，首先會導致磨損嚴重，最后引起齒根折斷[3]。

3預防齒輪失效的措施

在日常運行過程中，不同的齒輪失效是共同出現的，要避免齒輪失效，可以采取以下幾種措施。（1）對齒輪積極做好潤滑，使用高質量的潤滑油。很多齒輪長期處于高速重載環境下，如果潤滑效果不好會使局部溫度升高過快，導致齒輪變色、膠合等問題。引起潤滑不良有很多不同因素，常見的有堵塞油路、噴油孔，潤滑油不能及時輸出；還有的是潤滑油變質、溫度過高、潤滑油加入了水分等。這些因素都會使齒面潤滑變差，因此農業機械使用過程中，要對潤滑油的油位和質量經常檢查。（2）操作人員要嚴格按照操作規范進行，防止機械長期過載運行或者突然受到外界沖擊。很多齒輪驅動裝置長時間處于載荷不穩定的情況下，過載現象比較頻繁，如果不采用一定的保護方法，會使輪齒出現過載斷裂，還有的根部發生斷裂。（3）齒輪裝配要認真做好。當一對齒輪互相嚙合進行軸向運動，齒寬方向只有一部分接觸，還有的齒輪會發生直線偏差等，齒輪載荷呈現不均勻，不能使扭矩平穩的傳遞，這就是一端接觸[4]。這種情況會導致局部齒輪需要承擔過載，會發生斷齒，要求在進行齒輪裝配過程中，嚴格檢查齒輪情況，一旦齒輪不符合使用要求或者齒輪沒有做好清潔都不能進行安裝。要鎖緊齒輪上不同的緊固裝置，避免齒輪在工作過程中發生脫落[5]，和齒輪裝配有關的止推墊要正確安裝，避免齒輪不能完全嚙合導致過度磨損。裝配結束后，要對齒輪運轉情況仔細檢查，當出現卡頓情況，要及時進行處理。（4）要避免和降低齒面膠合程度，可以采取下面的措施：①為了使齒輪嚙合開始和結束的滑動系數下降，可以選擇角度變位齒輪傳動；②要使模數和齒高減小，使滑動速度下降；③選擇極壓潤滑油；④使用抗膠合能力的齒輪副材料；⑤如果齒輪制造材料相同的時候，要使大小齒輪保持一定的硬度差；⑥要增強齒面硬度，減少表面粗糙度[6]。針對速度高、載荷重的傳動齒輪，既要滿足輪齒彎曲強度要求以及接觸強度要求，還要增強齒面抗膠合能力，因此設計傳動齒輪的時候，要提前調節齒輪承載能力，然后采取相應的潤滑措施[7]。（5）在做好齒輪潤滑的前提下，避免嚙合區溫度過高，可以防止輪齒因為過載折斷，在傳動設計過程中，要仔細分析導致過載的不同因素。選擇合適的安全裝置，可以使用安全聯軸器；安裝過程中，要調節接觸精度；齒輪運轉過程中，要避免硬物進入嚙合區，防止發生沖擊載荷[8]。另外，要提高齒輪的制造質量，可以使用儀器仔細檢查齒根部位的裂紋，能夠有效避免輪齒因過載導致折斷。同時，齒輪加工過程中，要嚴格遵循相關的制造工藝，防止出現應力過于集中。

4結束語

齒輪是重要的機械部件，作用是傳遞兩軸間的運動以及動力，優點是傳動效率高、運行穩定等，是機械傳動使用最普遍的方式。農業機械是實現農業現代化的重要基礎，由于農業生產時間緊、任務重，因此齒輪工作過程面臨重載荷、長時間工作等惡劣情況，由此會導致齒輪出現失效[9]。本文總結了齒輪失效的主要原因，并提出了相應的預防對策，目的是讓農業機械更穩定的工作，推動農業現代化更好的進步。

參考文獻：

[1]牛祥棟.怠速工況下變速器齒輪敲擊仿真研究[D].重慶大學,2015.

[2]任保安.螺旋傘齒輪精確建模及TCA初始值計算研究[D].太原科技大學,2015.

[3]張昊.五軸齒輪組裝式離心壓縮機轉子系統動力學及其非線性特性[D].大連理工大學,2016.

作者：朱婷 單位：江蘇森威集團飛達股份有限公司