傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)效分析

楊力

上海市機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析專(zhuān)業(yè)委員會(huì) 上海 201108

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)作為一種傳遞動(dòng)力和匹配轉(zhuǎn)速的裝置，主要包括齒輪副、傳動(dòng)軸、支承軸承、箱體、潤(rùn)滑劑、原動(dòng)機(jī)和負(fù)載等。常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和輪系。

1 傳動(dòng)件失效形式

齒輪、傳動(dòng)軸和軸承是載運(yùn)工具中最重要的傳遞動(dòng)力的部分，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，性能要求也逐步提高。由于機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)速的提高，傳遞的載荷不斷增大，導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常需要在高速重載的條件下連續(xù)工作，同時(shí)搭載該系統(tǒng)的設(shè)備工作環(huán)境往往十分惡劣，使齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪副和支承軸承等主要部件很容易受到損害而出現(xiàn)故障。這些關(guān)鍵部件的故障和失效會(huì)給生產(chǎn)和社會(huì)造成嚴(yán)重的損失。

在GB/T 3481—1997《齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語(yǔ)》中對(duì)齒輪的損傷類(lèi)型、損傷原因和預(yù)防措施作了描述；齒輪的常見(jiàn)失效形式有齒面耗損的跡象、膠合、永久變形、齒面疲勞現(xiàn)象、裂縫、裂紋及齒輪折斷等。

雖然齒輪存在多種失效模式，如齒面點(diǎn)蝕、齒根彎曲、齒面磨損、齒面膠合等形式，但齒面接觸和齒根彎曲是齒輪的兩種主要失效形式。

軸件在傳動(dòng)系統(tǒng)中起著支撐其他零件、傳遞運(yùn)動(dòng)和力的作用。軸件常見(jiàn)的失效形式有變形、斷裂、表面損傷等。

傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承在使用過(guò)程中可能由于各種原因造成其性能指標(biāo)達(dá)不到使用要求導(dǎo)致失效或損傷。軸承常見(jiàn)的失效形式有疲勞剝落、磨損、破裂、腐蝕、燒傷、電蝕及變形等。

2 傳動(dòng)件失效分析步驟

作為傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸、軸承等，在工作中工況、環(huán)境和受力比較復(fù)雜，零部件的失效原因根據(jù)其運(yùn)行情況各不相同。在實(shí)際失效分析工作中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，找出失效的準(zhǔn)確原因，提出行之有效的改進(jìn)措施。

傳動(dòng)系統(tǒng)零件的失效分析可以根據(jù)如下步驟進(jìn)行：

1）搜集背景資料，對(duì)失效件試樣選擇、標(biāo)記、清理、保存。

2）對(duì)失效件進(jìn)行肉眼觀察，記錄其宏觀表象及特征，確定失效件的失效形式。

裂紋不明顯時(shí)可以進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)顯示出裂紋形貌，圖1所示為齒面裂紋的宏觀形貌。根據(jù)斷口形貌確定裂紋起源，推測(cè)加載方式（拉、彎、壓、扭等）、應(yīng)力大小及方向，圖2所示為斷口宏觀形貌，可以判斷裂紋起源于齒根部，斷面存在貝殼紋特征，為疲勞斷裂。

圖1 齒面裂紋的宏觀形貌

圖2 齒輪斷口的宏觀形貌

3）采用化學(xué)成分分析來(lái)判定材料的成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物及表面鍍層等進(jìn)行成分分析。

4）進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，確認(rèn)失效件的性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)零部件表面硬化處理的試樣進(jìn)行有效硬化層梯度檢測(cè)，以判定是否符合技術(shù)要求。

5）微觀分析。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等對(duì)失效件損傷特征包括源區(qū)的位置、形貌特征、微區(qū)成分、材料冶金缺陷、源區(qū)附近的加工痕跡以及外來(lái)物等進(jìn)行微觀觀察與分析。

圖3所示為圖1裂紋剖面在金相顯微鏡下觀察齒面裂紋的擴(kuò)展方向和剝落形貌，圖4所示為掃描電鏡下觀察剝落區(qū)域的疲勞輝紋特征。以上檢驗(yàn)為判明失效模式、分析失效機(jī)理及失效原因提供依據(jù)。

6）對(duì)失效件的制造工藝、加工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、受力狀態(tài)及應(yīng)力大小等進(jìn)行分析，以評(píng)定失效件的制造質(zhì)量和設(shè)計(jì)是否符合要求。

7）模擬試驗(yàn)。在需要與可能的條件下，通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證零部件的失效模式和失效原因。

完全模擬或整體模擬往往很難實(shí)現(xiàn)，尤其是對(duì)重大的失效事故只能對(duì)材料實(shí)現(xiàn)部分的模擬試驗(yàn)。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的失效情況一般在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)只能模擬一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，如磨損試驗(yàn)等。

8）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果及搜集到的背景資料，結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)失效模式與原因進(jìn)行全面系統(tǒng)的綜合分析，找出失效分析原因并提出糾正、改進(jìn)與預(yù)防措施。

圖3 齒輪表面裂紋的擴(kuò)展方向和表面剝落特征

圖4 剝落區(qū)域的疲勞特征

傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的早期失效很難發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，失效的特征可能因后期磨損、咬合卡滯、摩擦過(guò)熱等將原始特征破壞，無(wú)法根據(jù)常規(guī)的失效分析程序獲得失效模式的證據(jù)。因此失效分析對(duì)象不僅是當(dāng)前失效件（在失效現(xiàn)場(chǎng)獲得的失效件），還要包括潛在失效件（在役或返修中的與當(dāng)前失效件相同型號(hào)并且履歷相似的零件）進(jìn)行對(duì)比分析，并且查找過(guò)去失效件（歷史上曾發(fā)生過(guò)的與當(dāng)前失效件同一型號(hào)的類(lèi)似失效件）的失效情況進(jìn)行類(lèi)比推理分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

本期刊登的關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的失效分析是專(zhuān)家學(xué)者對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的損傷及失效形式進(jìn)行的深入研究，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和實(shí)踐中，從大量的失效件及失效分析中總結(jié)出常見(jiàn)失效模式、失效原因及其預(yù)防措施。這些經(jīng)驗(yàn)和案例對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)獲得良好的使用性能和工作壽命的提高具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。