工業(yè)齒輪箱失效問題及防護(hù)對(duì)策淺析

◇機(jī)械科學(xué)研究總院青島分院有限公司 焦孫治 楊劍橋 李 晨

齒輪箱是機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，同時(shí)也是傳動(dòng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部件。隨著裝備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是大功率工業(yè)裝備日趨主流，如何有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保服役可靠性已然成為裝備制造業(yè)亟需攻克的難題。本文從工業(yè)齒輪箱的服役環(huán)境特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)組成齒輪箱的關(guān)鍵零部件的工作狀態(tài)和主要失效模式進(jìn)行分析論述，并探討了相應(yīng)的防護(hù)補(bǔ)救措施。該項(xiàng)工作對(duì)于防止和延緩工業(yè)齒輪箱同類損傷失效事件的再次發(fā)生，提高工業(yè)裝備服役壽命具有重要指導(dǎo)借鑒意義。

齒輪箱是組成工業(yè)裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，廣泛用來實(shí)現(xiàn)變速、改變轉(zhuǎn)矩、離合以及分配動(dòng)力等功能。例如風(fēng)電設(shè)備需要增速齒輪箱將風(fēng)能緩慢驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸加速到可有效發(fā)電的轉(zhuǎn)速，而一些應(yīng)用于重載行業(yè)的機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)常由減速齒輪箱組成，通過減速實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。我國(guó)工業(yè)化水平持續(xù)向高水平穩(wěn)步邁進(jìn)，離不開工業(yè)裝備的不斷升級(jí)。隨著工業(yè)裝備向大功率、長(zhǎng)周期安全服役發(fā)展，齒輪箱關(guān)鍵零部件的可靠性把控成為裝備制造者關(guān)注的重點(diǎn)。一個(gè)典型的工業(yè)齒輪箱主要由箱體、箱蓋、齒輪軸、齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件裝配而成。在服役過程中，以上構(gòu)件都有可能發(fā)生損傷失效，造成運(yùn)行故障或安全隱患。為此本文主要就工業(yè)齒輪箱的服役工況、關(guān)鍵零部件的失效模式及對(duì)應(yīng)的防護(hù)對(duì)策展開分析論述，旨在指導(dǎo)工業(yè)齒輪箱的損傷預(yù)防和延緩失效的發(fā)生，從而延長(zhǎng)工業(yè)裝備的服役壽命。

1 工業(yè)齒輪箱的服役環(huán)境

工業(yè)齒輪箱是高速輕載、高速重載、低速重載動(dòng)力傳遞的重要紐帶。涉及領(lǐng)域包括風(fēng)力發(fā)電業(yè)、建筑與采礦業(yè)、加工制造業(yè)等，服役工況十分苛刻。例如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多安裝在氣候惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，主要地，陸上風(fēng)場(chǎng)有沙塵、冰雪、低溫，海上風(fēng)場(chǎng)有鹽霧、臺(tái)風(fēng)等。風(fēng)電設(shè)備在極端工況下故障率較高，尤其涉及齒輪箱的密封潤(rùn)滑系統(tǒng)[1]。用于建筑采礦業(yè)及鋼鐵生產(chǎn)加工業(yè)的機(jī)械設(shè)備齒輪箱，多屬低速重載運(yùn)行，傳遞的轉(zhuǎn)矩大，且設(shè)備服役工況惡劣，長(zhǎng)期處在多硬質(zhì)粉塵的環(huán)境中，外加沖擊載荷和高頻振動(dòng)作用，傳動(dòng)系統(tǒng)升溫快，增加了零部件的磨損速度，造成漏油等系列問題。工業(yè)齒輪箱在上述服役環(huán)境下發(fā)生損傷失效的形式多樣，下文將針對(duì)齒輪箱零部件常見的失效形式及對(duì)應(yīng)的減傷延壽方法展開論述。

2 工業(yè)齒輪箱的失效模式及防護(hù)措施

常見的工業(yè)齒輪箱零部件損傷失效案例有箱體失效、齒輪失效、軸磨損或斷裂失效、軸承失效及其他非常規(guī)失效[2]。齒輪箱失效原因既有設(shè)計(jì)制造缺陷等內(nèi)因，也有安裝、使用和維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)?shù)韧庖颉?/p>

齒輪箱箱體主要用來支撐和包容齒輪等關(guān)鍵零部件，承載潤(rùn)滑油。由于構(gòu)造復(fù)雜，通常為鑄件。鑄造時(shí)冒口位置散熱速度慢，常造成組織粗大等缺陷，引起力學(xué)性能下降。另外，箱體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角位置常伴有應(yīng)力集中，在有外部腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。為有效防止箱體失效，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面入手，一方面增加足夠的圓角過渡緩解應(yīng)力集中，引入加強(qiáng)筋提高箱體剛度等。另一方面在制定鑄造工藝時(shí)重點(diǎn)關(guān)注鑄件的冒口位置，如通過加冷鐵激冷等方式可有效避免粗大晶粒的生成，從而獲得良好的綜合力學(xué)性能。此外通過優(yōu)化箱體涂裝工藝，可有效防止腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，實(shí)現(xiàn)箱體延壽。

齒輪是傳動(dòng)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的零部件，也是最易產(chǎn)生損傷失效的零部件。在重載傳動(dòng)時(shí)，齒輪副軟齒面難免因屈服產(chǎn)生塑性變形，造成齒形偏差，進(jìn)一步發(fā)展使得應(yīng)力集中的根部位置發(fā)生折斷[3]。點(diǎn)蝕是齒面失效的一種形式，多發(fā)生在齒根面上節(jié)線處，節(jié)線處齒輪副的相對(duì)滑動(dòng)速度低，形成油膜的條件差，容易出現(xiàn)潤(rùn)滑不良。齒輪嚙合面直接接觸產(chǎn)生較大的摩擦力直接造成微小裂紋，加之滲入潤(rùn)滑油的擠壓作用造成小區(qū)域剝落，形成齒面麻點(diǎn)。在重載傳動(dòng)中，齒輪的齒面嚙合區(qū)局部高溫環(huán)境會(huì)引起潤(rùn)滑失效，造成兩金屬面直接接觸粘連，在隨后的相對(duì)滑動(dòng)中出現(xiàn)齒面膠合失效，軟齒面材料將會(huì)被犁溝帶走。在潤(rùn)滑不足和多塵環(huán)境下，齒面磨損難以避免，粉塵、磨損產(chǎn)生的金屬屑都會(huì)引起齒面間磨粒磨損，齒面磨損到一定程度會(huì)造成齒輪箱異常振動(dòng)，最終導(dǎo)致傳動(dòng)故障[4]。引發(fā)齒輪上述失效的原因可能為選材和熱處理工藝不當(dāng)，設(shè)計(jì)制造誤差，或者設(shè)備使用維護(hù)不當(dāng)。為防止齒輪失效，在設(shè)計(jì)加工環(huán)節(jié)就應(yīng)降低損傷。通過合理選擇制造工藝，增加易產(chǎn)生應(yīng)力集中位置處圓角過渡，采取熱處理滲碳滲氮手段提高齒面硬度，保證足夠的潤(rùn)滑環(huán)境及潤(rùn)滑油清潔度等，必要時(shí)還需針對(duì)具體服役工況提高潤(rùn)滑液粘度及散熱性達(dá)到良好潤(rùn)滑。

在長(zhǎng)時(shí)間工作過程中，齒輪軸的磨損難以避免。軸磨損直接造成原配合面的松曠，對(duì)外表現(xiàn)為異常振動(dòng)和聲響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成潤(rùn)滑油外漏和偏載。若修復(fù)不及時(shí)或?qū)⒂绊懫渌麄鲃?dòng)件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，引發(fā)連帶失效。通常采用堆焊再加工、打麻點(diǎn)或鑲嵌軸套等手段對(duì)磨損的軸進(jìn)行修復(fù)，但這些方式都不是理想的修復(fù)手段，過程繁瑣且會(huì)間接帶來新的缺陷。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)在開發(fā)了高分子復(fù)合材料用以安全有效修復(fù)[5]。齒輪軸在服役過程需承受較大的扭矩，在強(qiáng)扭矩作用下齒輪軸有發(fā)生彈塑性變形的趨勢(shì)。即使在低應(yīng)力狀態(tài)，長(zhǎng)期的交變載荷也會(huì)引起材料的疲勞破壞，引起齒輪軸斷裂失效。合理選擇材料和加工工藝對(duì)于提高齒輪軸的疲勞強(qiáng)度尤為重要，此外在熱加工過程要嚴(yán)格規(guī)避夾雜物，因?yàn)檫@往往是后期齒輪軸發(fā)生脆性破壞的根源。

軸承是工業(yè)齒輪箱中重要的零部件，用以支撐旋轉(zhuǎn)體，減小摩擦系數(shù)。軸承失效是齒輪箱失效的一個(gè)重要故障源，尤其低速重載工況下軸承難以形成良好的潤(rùn)滑條件，從而引發(fā)系列失效問題。滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)外圈通過點(diǎn)接觸發(fā)生滾動(dòng)，接觸應(yīng)力大，由此引起的失效形式主要有磨損、接觸疲勞。另外滾動(dòng)軸承的保持架也是易損壞的部件之一，在安裝不當(dāng)和過載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向載荷，沖擊載荷常引起保持架的變形失效、支柱斷裂或脫焊。滑動(dòng)軸承工作特點(diǎn)為滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)體之間為面接觸，因此常用在承載要求高的部位?；瑒?dòng)軸承的失效形式多為疲勞剝落、磨粒磨損等[6]。軸承磨損常在潤(rùn)滑不足時(shí)發(fā)生，外來硬質(zhì)粒子直接造成軸承表面犁溝狀擦傷，另外潤(rùn)滑條件嚴(yán)重惡化時(shí)還會(huì)因摩擦面微區(qū)焊合引起黏著磨損。游隙是軸承安裝時(shí)重點(diǎn)考慮的參數(shù)，適量增大游隙可保證軸承的潤(rùn)滑和散熱，但游隙過大會(huì)削弱軸承抵抗沖擊載荷的能力。

3 結(jié)語

目前對(duì)齒輪箱失效的認(rèn)識(shí)水平大多建立在對(duì)實(shí)際案例的分析結(jié)果上，在關(guān)鍵零部件疲勞、磨損及斷裂失效的機(jī)理問題上仍有很大的研究空間。具體地，還需加強(qiáng)對(duì)材料宏觀失效與微觀組織結(jié)構(gòu)演變的關(guān)系研究，分析齒輪箱各零部件的強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)性及復(fù)雜的外載荷條件對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演變規(guī)律，探索復(fù)雜交變載荷與內(nèi)部結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制。另外，加強(qiáng)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和開發(fā)遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)，對(duì)服役設(shè)備進(jìn)行定期、定點(diǎn)維護(hù)檢查，建立振動(dòng)狀態(tài)、潤(rùn)滑油狀態(tài)、箱體的運(yùn)行溫度等關(guān)鍵指標(biāo)和故障發(fā)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高綜合質(zhì)量管理水平等是事先預(yù)警、有效避免或延緩工業(yè)齒輪箱發(fā)生失效的有力措施。