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摘要：在机械传动过程中，齿轮传动是一种非常重要的方式。目前已经应用于几乎所有的机械行业，在国民经济的发展中起着重要的作用，大大提高了机械制造生产的效率。经过多年的发展，我们发现齿轮传动过程中存在着一些问题，这些问题会导致齿轮传统的作用完全失效或是部分失效。在齿轮的诊断过程中与检修过程中都存在着一定的难度。本文试图从齿轮的失效模式入手，对机械传动齿轮的失效诊断与检修进行初步分析。
关键词：机械传动；齿轮；失效；诊断；检修
中图分类号：F416.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
机械传动齿轮具有效率高、结构紧凑、工作寿命长以及传动比稳定的优势，在机械传动形式中受到广泛欢迎。机械传动齿轮的失效模式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀以及塑性变形等情况，轮齿的啮合不合理时，就极容易造成齿轮结构的超负荷运转或冲击负荷的出现，相对较软的轮齿就会出现塑性变形，甚至会出现飞边、轮齿变圆等问题。齿轮失去正常齿形后，啮合将会受到更严重的影响，大大降低了机械传动的效率与作用。但它在诊断过程中需要的技术要求也较高，只有准确判断，才能准确定位问题，并进行改造或检修。[1]
几种常见的齿轮失效模式
2.1齿面接触疲劳点蚀
齿轮在相对运动过程中，存在着相对滚动与相对滑动同时进行的情况，相对滑动容易产生脉动载荷，这主要是因为它在轮齿接触点两侧有反向摩擦力。它们将会使齿轮的表现深处产生不断循环的切应力，当其数值超过齿轮材料的疲劳极极值时，就会产生疲劳裂纹。润滑油会在运动的过程中渗入到这些裂纹中，当温度升高时，它将会进一步增大裂纹的宽度，从而加剧裂纹的出现。最终剥落一小片金属，形成一个个的小坑，这些小坑就是所谓的点蚀
2.2齿面磨损
在轮齿齿面的接触过程中，当润滑油不足、油质不清洁现象出现时，会造成齿面磨粒磨损，这种磨损作用将会使齿廓改变，侧隙空间加大，齿轮厚度降低，非常容易导致断齿。
图一 齿面接触疲劳点蚀 图二齿面磨损
2.3齿面胶合
在机械传动齿轮结构中，当负荷过大时，会导致温度急剧升高，齿面之间的油膜将会在高温作用下慢慢消失，齿面金属材料将会发生融化现象，附着在接触的齿面上。这就是典型的齿面胶合问题。当新齿轮在开始投入过程中，也会出现这一问题，齿面胶合会损坏齿面的结构，造成擦伤后果。[2]
2.4塑性变形
在齿轮运动过程中，如果外应力过大，轮齿的材料将会产生齿面或内部结构塑性流动的问题，在外形来看，轮齿就会发生变形。一般在硬度低的齿上更容易出现。一方面需要提高齿面的硬度，另一方面增加润滑剂，也可以有效避免应力直接作用于齿面上，导致塑性变形的出现。
2.5轮齿折断
轮齿折断是指的数个或单个齿发生局部或是整体的断裂现象，它可以分为疲劳折断与过载折断两种主要原因形式。齿轮的轮齿弯曲应力超过极限值时，就会发生疲劳折断。当轮齿的材料不合格时，脆性过大，在承载力稍微变大时就会产生轮齿折断的问题。[3]
图三 轮齿折断
齿轮失效的诊断方法
齿轮失效的方式有很多种，但它的诊断方法却不是很多。诊断方式的确定将会侧重不同，对原因分析的重点也就不同。一般来讲，齿轮失效模式的诊断方法主要有简易诊断法与精密诊断法。
3.1简易诊断法
由于齿轮的啮合频率与两个齿轮的齿数、转速均有关系，所以简易诊断可以从这种关系入手进行研究。简易诊断就是通过传感器来对引出端的频率进行检测，比如轴承座盖等位置，同时对噪音频谱进行分析，进而对齿轮进行诊断。
简易诊断中，需要对检测的部位进行关注。比如轴承在机壳的内部，在诊断时就可以选择轴承座附近的硬度较好的位置，或者对结构的基础进行测量。在测定时可以对位置进行标记，避免重复，这是为了保持多次测定都有一个不同的结果，从而进行综合分析。如果测量时在钢铁件时，最好是保证表面为光滑状态。重点沿着水平、垂直与轴向三个方面进行测量。[4]
需要诊断的齿轮转速可以在100转以上。简易诊断的项目主要包括齿轮的偏心、齿距误差、齿形的误差与齿面磨损以及齿根断裂等。由于齿轮的各类不同，测量方法不局限于一种，而应该通过两种方法协同检测，结果会更加准确。
3.2精密诊断法
啮合频率在故障诊断中是一个非常重要的码数，由于齿轮诊断监测的振谱各有自己的特点，所以需要对各类的故障的频域进行精密测量。针对不同的参数测量，会有可能引起相关的问题，关联情况如下：
当齿轮磨损时，啮合频率以及它的谐频分量会处在一个稳定的水平，幅值稍微有一些变化，高次频率分量变化明显；当齿廓变形或者在齿轮轮齿结构有裂纹时，啮合频率幅值变大，谐频分量也随之增大；当齿轮出现断齿的时候，相当于齿数发生变化，将会对啮合频率以及固有频率产生影响；当齿轮有制造偏差时，会出现一个特定的转频谐波；当齿圈发生心偏时，振幅增大，随之固有频率与啮合频率也会出现高频信号；当齿轮角速度发生变化时，会出现调频现象。除了这些理论上的依据，还要根据客观存在的实际情况进行综合分析，得出准确的判断。[5]
浅谈机械传动齿轮失效的检修
对于已经失效的齿轮结构，如何进行判断是否达到报废标准呢？针对不同的失效形式，有着不同的结论。检修失效的机械传动齿轮主要有几种情况：
首先是齿轮有裂纹出现或是齿面断裂时，就需要报废了；二是当齿轮轮齿的表面点蚀损坏占整个轮齿表面的三成以上，深度达到10%以上，或者点蚀面积超过60%，就需要报废处理；三是对于齿轮的磨损，它对于不同的应用机构有着不同的要求。对于一般的提升机构而言，安全系数较高，磨损齿厚不应该低于原厚度的80%；对于一般性的运行机构而言，齿轮的磨损不应该低于60%，如果超出此范围，则需要更换齿轮结构了。第四，为避免胶合现象出现，应该采用高粘度的润滑油，因为胶合会发生在低速但载荷力较大的场合，这个时候除了加润滑油外，还需要提高齿轮面的硬度、减少齿面的表面粗糙度。加入润滑油，对于点蚀失效、磨损失效都有较佳效果。[6]
针对不同的失效模式的齿轮有着不同的检修方法。对于高速运转使用的齿轮出现磨损情况时，一般润滑油过少或者间隙过小，它的排除方法就是减少负荷，增加润滑油；针对齿顶变尖的现象，可以增加齿轮的齿心距，或改用变位齿轮；针对齿形出现波纹磨損时，需要增加润滑油；对于出现胶合的齿轮现象，可以清洁油泵，提高齿轮的表面硬度，减少负荷，或使用粘度较高的润滑油，避免应力直接作用于齿面上；针对产生塑性变形的齿轮，就需要考虑环境条件了，要改善散热条件，或更换齿轮。
另外针对齿轮本身的修理方法包括：镶齿修复法、镶齿圈修复法、齿轮翻转使用法、修复铸铁齿轮的断齿、镶焊齿坯修理法等，通过对轮齿的修复处理达到可以使用的目的。
结语
随着机械传动齿轮在机械制造业中的使用越来越广泛，它的检修技术与诊断技术将会不断进行推广，更多的人将会掌握这一技术。运用科学的方法，不断引进国际先进仪器与技术，更加熟悉齿轮的运行规律，才能更好地判断齿轮的故障问题与解决办法，更好地为国民经济的发展贡献齿轮传动最大的能力。
参考文献：
[1]蔚海文.煤矿机械传动齿轮失效形式及对措[J].山西焦煤科技,2011（01）.
[2]闫德明.煤矿机械传动齿轮失效形式分析[J].山西科技,2011（05）.
[3]焦钊.采煤机械传动齿轮失效问题研究[J].科技创新与应用,2012（08）.
[4]韩翠英.煤矿机械传动齿轮损坏原因及解决方式[J].煤矿机械,2012（11）.
[5]金川,李颖.电动切割机齿轮失效模式分析的研究[J].热加工工艺,2012（21）.
[6]赵勇.基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究[D].重庆大学,2011（04）
关键词：机械传动；齿轮；失效；诊断；检修
中图分类号：F416.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
机械传动齿轮具有效率高、结构紧凑、工作寿命长以及传动比稳定的优势，在机械传动形式中受到广泛欢迎。机械传动齿轮的失效模式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀以及塑性变形等情况，轮齿的啮合不合理时，就极容易造成齿轮结构的超负荷运转或冲击负荷的出现，相对较软的轮齿就会出现塑性变形，甚至会出现飞边、轮齿变圆等问题。齿轮失去正常齿形后，啮合将会受到更严重的影响，大大降低了机械传动的效率与作用。但它在诊断过程中需要的技术要求也较高，只有准确判断，才能准确定位问题，并进行改造或检修。[1]
几种常见的齿轮失效模式
2.1齿面接触疲劳点蚀
齿轮在相对运动过程中，存在着相对滚动与相对滑动同时进行的情况，相对滑动容易产生脉动载荷，这主要是因为它在轮齿接触点两侧有反向摩擦力。它们将会使齿轮的表现深处产生不断循环的切应力，当其数值超过齿轮材料的疲劳极极值时，就会产生疲劳裂纹。润滑油会在运动的过程中渗入到这些裂纹中，当温度升高时，它将会进一步增大裂纹的宽度，从而加剧裂纹的出现。最终剥落一小片金属，形成一个个的小坑，这些小坑就是所谓的点蚀
2.2齿面磨损
在轮齿齿面的接触过程中，当润滑油不足、油质不清洁现象出现时，会造成齿面磨粒磨损，这种磨损作用将会使齿廓改变，侧隙空间加大，齿轮厚度降低，非常容易导致断齿。
图一 齿面接触疲劳点蚀 图二齿面磨损
2.3齿面胶合
在机械传动齿轮结构中，当负荷过大时，会导致温度急剧升高，齿面之间的油膜将会在高温作用下慢慢消失，齿面金属材料将会发生融化现象，附着在接触的齿面上。这就是典型的齿面胶合问题。当新齿轮在开始投入过程中，也会出现这一问题，齿面胶合会损坏齿面的结构，造成擦伤后果。[2]
2.4塑性变形
在齿轮运动过程中，如果外应力过大，轮齿的材料将会产生齿面或内部结构塑性流动的问题，在外形来看，轮齿就会发生变形。一般在硬度低的齿上更容易出现。一方面需要提高齿面的硬度，另一方面增加润滑剂，也可以有效避免应力直接作用于齿面上，导致塑性变形的出现。
2.5轮齿折断
轮齿折断是指的数个或单个齿发生局部或是整体的断裂现象，它可以分为疲劳折断与过载折断两种主要原因形式。齿轮的轮齿弯曲应力超过极限值时，就会发生疲劳折断。当轮齿的材料不合格时，脆性过大，在承载力稍微变大时就会产生轮齿折断的问题。[3]
图三 轮齿折断
齿轮失效的诊断方法
齿轮失效的方式有很多种，但它的诊断方法却不是很多。诊断方式的确定将会侧重不同，对原因分析的重点也就不同。一般来讲，齿轮失效模式的诊断方法主要有简易诊断法与精密诊断法。
3.1简易诊断法
由于齿轮的啮合频率与两个齿轮的齿数、转速均有关系，所以简易诊断可以从这种关系入手进行研究。简易诊断就是通过传感器来对引出端的频率进行检测，比如轴承座盖等位置，同时对噪音频谱进行分析，进而对齿轮进行诊断。
简易诊断中，需要对检测的部位进行关注。比如轴承在机壳的内部，在诊断时就可以选择轴承座附近的硬度较好的位置，或者对结构的基础进行测量。在测定时可以对位置进行标记，避免重复，这是为了保持多次测定都有一个不同的结果，从而进行综合分析。如果测量时在钢铁件时，最好是保证表面为光滑状态。重点沿着水平、垂直与轴向三个方面进行测量。[4]
需要诊断的齿轮转速可以在100转以上。简易诊断的项目主要包括齿轮的偏心、齿距误差、齿形的误差与齿面磨损以及齿根断裂等。由于齿轮的各类不同，测量方法不局限于一种，而应该通过两种方法协同检测，结果会更加准确。
3.2精密诊断法
啮合频率在故障诊断中是一个非常重要的码数，由于齿轮诊断监测的振谱各有自己的特点，所以需要对各类的故障的频域进行精密测量。针对不同的参数测量，会有可能引起相关的问题，关联情况如下：
当齿轮磨损时，啮合频率以及它的谐频分量会处在一个稳定的水平，幅值稍微有一些变化，高次频率分量变化明显；当齿廓变形或者在齿轮轮齿结构有裂纹时，啮合频率幅值变大，谐频分量也随之增大；当齿轮出现断齿的时候，相当于齿数发生变化，将会对啮合频率以及固有频率产生影响；当齿轮有制造偏差时，会出现一个特定的转频谐波；当齿圈发生心偏时，振幅增大，随之固有频率与啮合频率也会出现高频信号；当齿轮角速度发生变化时，会出现调频现象。除了这些理论上的依据，还要根据客观存在的实际情况进行综合分析，得出准确的判断。[5]
浅谈机械传动齿轮失效的检修
对于已经失效的齿轮结构，如何进行判断是否达到报废标准呢？针对不同的失效形式，有着不同的结论。检修失效的机械传动齿轮主要有几种情况：
首先是齿轮有裂纹出现或是齿面断裂时，就需要报废了；二是当齿轮轮齿的表面点蚀损坏占整个轮齿表面的三成以上，深度达到10%以上，或者点蚀面积超过60%，就需要报废处理；三是对于齿轮的磨损，它对于不同的应用机构有着不同的要求。对于一般的提升机构而言，安全系数较高，磨损齿厚不应该低于原厚度的80%；对于一般性的运行机构而言，齿轮的磨损不应该低于60%，如果超出此范围，则需要更换齿轮结构了。第四，为避免胶合现象出现，应该采用高粘度的润滑油，因为胶合会发生在低速但载荷力较大的场合，这个时候除了加润滑油外，还需要提高齿轮面的硬度、减少齿面的表面粗糙度。加入润滑油，对于点蚀失效、磨损失效都有较佳效果。[6]
针对不同的失效模式的齿轮有着不同的检修方法。对于高速运转使用的齿轮出现磨损情况时，一般润滑油过少或者间隙过小，它的排除方法就是减少负荷，增加润滑油；针对齿顶变尖的现象，可以增加齿轮的齿心距，或改用变位齿轮；针对齿形出现波纹磨損时，需要增加润滑油；对于出现胶合的齿轮现象，可以清洁油泵，提高齿轮的表面硬度，减少负荷，或使用粘度较高的润滑油，避免应力直接作用于齿面上；针对产生塑性变形的齿轮，就需要考虑环境条件了，要改善散热条件，或更换齿轮。
另外针对齿轮本身的修理方法包括：镶齿修复法、镶齿圈修复法、齿轮翻转使用法、修复铸铁齿轮的断齿、镶焊齿坯修理法等，通过对轮齿的修复处理达到可以使用的目的。
结语
随着机械传动齿轮在机械制造业中的使用越来越广泛，它的检修技术与诊断技术将会不断进行推广，更多的人将会掌握这一技术。运用科学的方法，不断引进国际先进仪器与技术，更加熟悉齿轮的运行规律，才能更好地判断齿轮的故障问题与解决办法，更好地为国民经济的发展贡献齿轮传动最大的能力。
参考文献：
[1]蔚海文.煤矿机械传动齿轮失效形式及对措[J].山西焦煤科技,2011（01）.
[2]闫德明.煤矿机械传动齿轮失效形式分析[J].山西科技,2011（05）.
[3]焦钊.采煤机械传动齿轮失效问题研究[J].科技创新与应用,2012（08）.
[4]韩翠英.煤矿机械传动齿轮损坏原因及解决方式[J].煤矿机械,2012（11）.
[5]金川,李颖.电动切割机齿轮失效模式分析的研究[J].热加工工艺,2012（21）.
[6]赵勇.基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究[D].重庆大学,2011（04）