重要的是要采用最佳实践,以便在齿轮组问题失效之前识别它们。

W当齿轮失效时,最常见的原因是疲劳和过载。最常见的损坏和失效形式是实际的破损,但其他的损坏模式包括被称为点蚀的表面疲劳、正常和异常磨损以及塑性流动。

遇险和失败的样子取决于齿轮的类型。通过齿轮展示一致的硬度,通过齿轮呈现一致的硬度 - 将具有与仅在表面上硬化的缺陷。表面硬化,也被称为硬化,齿轮具有薄层,其在下面的更柔软的金属硬化。

齿轮故障的第一个迹象是磨损或蚀刻在俯卧线下方,其中一个齿轮的突出齿配合到第二档中,如图1所示。

图1:凹坑的第一个迹象发生在铸造中,齿轮齿的下半部分。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

为了解决这个问题,原始设备制造商(OEM)可以增加齿轮的硬度,齿轮的面宽度或其小齿轮间距直径。或者,OEM可以改善齿轮的几何形状。

首字母缩写LETS-C代表了导致齿轮失效和降低齿轮寿命的四个因素:

  • 加载。
  • 环境。
  • 速度。
  • 污染。

特性和失败

一些设计特征是造成损坏和失败的因素。

赫索强度或梁强度指的是齿轮齿能够承受重复载荷的能力。它是一对齿轮的承载能力的衡量标准。它必须大于齿轮的最大动态负荷。当齿轮被推动超出其容量时发生疲劳。

热额定值是指推荐的最大速度,减速比和齿轮组的马力。如果齿轮驱动器在这些建议上方使用,则齿轮驱动将开始过热。

这些信息通常可以在附图中找到,在用户手册中或齿轮箱的板上。

Backlash是一个可以影响润滑的设计功能。如图2所示,这是一个齿背面和下一个配合齿的前部之间的距离。

图2:间隙为润滑剂提供空间,以保持齿轮齿健康。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

这段距离允许润滑油涂在齿轮齿上。没有良好的润滑膜,齿轮将过热,产生噪音,遭受齿磨损,并可能失效。关于适当的反弹量的经验法则如下:

  • 齿隙= 0.04/齿轮直径节距。
  • 齿距=齿数/齿距直径。

润滑剂还需要间隙,以便在齿轮之间正确流动。它是一个齿顶部与另一齿轮上的齿的底部之间的距离。它是牙齿的高度的函数,并且还是给定齿轮中的铸造的量超过其配合齿轮的附录。

润滑相关的失败类:

  • 赫兹疲劳,都是微观和宏。
  • 穿。
  • 磨损,也称为得分(或表面疲劳)。

不同学校的思路将齿轮故障分解成不同数量的模式,如图3所示。例如,在该图表中,当齿轮严重过载并失败时,会发生齿部骨折。

图3:齿轮故障可以分为五种不同的模式。(Courtesy: NPTEL Course Machine Design II Lecture 6 Gear Failure;印度理工学院,印度马德拉斯;K. Gopinath教授和M.M. Mayuram教授)

表面疲劳是齿轮材料的故障,其经过重复表面或亚表面应力超过材料的耐耐压。它表明齿轮和小齿轮网时发生棘峰应力。这些应力高于该齿轮组的光束强度。

表面疲劳形式包括:

  • 点蚀。
  • 得分。
  • 情况下破碎。

挂钩

点蚀是齿轮齿最常见的故障模式。它是由于重复的负载和接触应力超过材料的表面疲劳强度。一旦齿轮投入运行,就可以开始。

点蚀有三种类型:初始,也称为纠正;破坏性;和正常。所有这些形式的点蚀都可以采用宏观或微型形式。宏观指的是直径大于1mm的凹坑。显微材料,也称为灰度染色,包括小于10微米的凹坑。微型齿轮导致齿轮看起来像表面上有白色或灰色磨砂。

初始点蚀是由齿轮齿上不均匀的局部高应力引起的。它们的小凹坑直径小于1毫米,可以在相对较短的时间内发展。蚀刻通常发生在间距线的窄带中,或者仅略低于间距线。它最突出地突出到透过硬化的齿轮,在局部区域发生,并且通过从具有大量粗糙的粗糙区域移除粗糙区域来倾向于重新分配负载。

破坏性点蚀,也称为渐进点蚀,是由于表面过载条件,初始点蚀没有在齿轮组中平滑。如果齿面硬度在规定的值内,系统过载通常是造成破坏性点蚀的原因。

破坏性的点蚀从齿根的齿距线以下开始。凹坑的大小和数量都在逐渐增加。它最终会形成疲劳裂纹。

修复问题斑点的方法包括减少驱动负载,使用更高的粘度或不同类型的润滑,升级传动装置或增加的驱动尺寸。

图4示出了在动力铲的主提升机上的小齿轮的凹法中的宏观示例。失败是由润滑剂粘度不足引起的。润滑剂太轻,低于OEM推荐的至少两个等级。该图像表明,大部分表面由地下裂缝破坏。

图4:宏观导致箭头形状丢失的材料。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

正常斑点显示为覆盖牙齿侧翼的整个牙线的小或适度的凹坑。最终,坑轮辋几乎不会发生进一步的何时进行。发生点蚀,因为小齿轮和齿轮两者的凹陷中的裂缝的取向可以捕获油。随着接触卷在裂缝上,裂缝中的油的液压会导致裂缝生长成坑。[1]

齿顶上方的点蚀现象很少发生,因为在接触产生导致点蚀的液压压力之前,油已经从微裂纹中挤出。

微点蚀,也被称为灰色染色,包含小于10微米大小的坑。微孔表面呈灰色、白色或磨砂状。微凹坑的形成取决于材料表面粗糙度和几何形状、润滑类型和操作条件等因素。它发生在重载齿轮的淬硬齿侧,由表面上非常小的裂纹和气孔组成。材料丢失和改变齿侧的轮廓,这导致点蚀和齿轮故障。

在硬化(也称为渗碳)齿轮的情况下,显微镜主要被发现。它改变齿轮齿形,并将负荷集中在较小的区域上,这在通过网眼移动时影响齿轮的准确性。微型涡轮机应用中通常存在。

图5显示了微量工的一个例子。齿轮齿表面必须以不同的角度照射以观察微米。使用强烈的直接照明工作比漫反射荧光灯更好。

图5:在直接照明中可以最好地看到微观。(礼貌:R. Errichello(2015年7月),“Elastroydrodynamic Lubrication(EHL):审查”齿轮技术杂志。可在www.geartechnology.com上获得。)

图6列出了影响微点蚀的不同因素。控制它的方法包括在齿轮齿上有光滑的表面,在适当的条件下操作,以及使用旨在抑制微点蚀的润滑油。具有低牵引力系数的润滑油,如PAO或聚丙烯基油,将有助于减少表面疲劳。明智地选择润滑油,因为您不想妥协您的油的其他期望的特性,如良好的磨损和磨损保护或与密封材料的兼容性。

图6:润滑油、表面和操作条件都影响微点蚀的程度。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

剥落

剥落描述了表面材料损坏牙齿的大面积。它可以看起来像重叠或互连的大型凹坑。具有表面硬化齿轮,它通常看起来损失单个(或几个)大区域。

剥落是由高接触应力引起的,初始凹坑的边缘脱离并迅速形成大孔;例如,当宏观坑合并形成大坑时。在图7中的齿上,裂缝从剥落层开始生长,并到达岩心/壳的边界。裂缝继续在顶部和出口在齿轮的背面,创造了一个洞通过齿。

图7:大的弹坑让裂缝一路穿过齿轮齿,造成洞。(礼貌:R. Errichello(2015年7月),“Elastroydrodynamic Lubrication(EHL):审查”齿轮技术杂志。可在www.geartechnology.com上获得。)

案例破碎

一种类型的剥落,外壳破碎,是与重载的表面硬化齿轮有关。齿壳破碎表现为齿面上的长纵向裂纹,这可能导致齿片随后断裂。情况压碎突然发生在只有一个或两个齿的小齿轮或齿轮。这些裂缝不同于凹坑,因为它们不仅延伸到坚硬的外壳之下,而且可以穿透,如图8所示。

图8:箱体破碎与重载硬化齿轮有关。失效分析:齿轮-轴-轴承-密封,108-010,1978年8月,Rexnord Industries, LLC,齿轮集团。可以在www.rexnord.com/contentitems/techlibrary/documents/108 - 010 _manual。)

失效可能是由于外壳深度不足、芯体硬度不足或高残余应力。在许多情况下,故障是由于太多的负载。

穿

磨损描述了齿轮的接触表面的材料损失。齿轮齿磨损的常见原因包括润滑膜的金属 - 金属接触,磨料颗粒在齿轮上工作,以及由于齿轮油的组成和其添加剂而导致的化学磨损。

不同程度的磨损包括:

  • 抛光或光,这是缓慢发生的。
  • 中度或正常磨损,在齿根区域也是一个缓慢的磨损过程。
  • 过度,如破坏性磨损,导致齿形改变和损害啮合动作。

三种类型的磨损模式包括粘合剂,磨料和腐蚀性磨损,亚类别包括:

  • 拖着脚走路。
  • 得分。
  • 抓。
  • 焊接。
  • 开沟。
  • 接触腐蚀。
  • 空化。
  • 侵蚀。

在粘着磨损中,原子的高度吸引力发生在两个接触、滑动的表面上。牙齿随意地互相接触,形成牢固的连接。金属粒子实际上是通过接触表面转移的。转移碎片断裂或疲劳脱落,形成磨损颗粒。

磨损是一种严重的粘着磨损,由于焊接导致金属从一个齿面转移到另一个齿面。磨损区域具有粗糙或磨砂结构。齿顶、齿根或两者都在发生滑动的方向上损坏。在放大下,磨损的表面会出现粗糙、撕裂和变形。

磨料磨损有时称为切削磨损。当坚硬的颗粒在齿轮之间移动,在压力下滑过齿面时,就会发生这种情况。坚硬的颗粒可能是污垢、铸件、水垢,甚至是磨损的碎片。

腐蚀磨损是由于化学或电化学反应而使齿轮的磨损恶化。化学磨损使牙齿有污点或生锈的外观。蚀刻的坑也可能出现。与其他类型的磨损不同,腐蚀磨损可以在整个齿面发现。

腐蚀磨损的常见原因包括润滑剂中活性成分(如硫)的化学作用,润滑剂中水分或外来物质的存在,以及添加到润滑剂中的与齿轮发生反应的极压添加剂。

破损

破损是最终的失败类型。破损导致禁用的驱动器,并且经常通过破碎的牙齿损坏诸如轴或轴承的其他部件。破损是从冲击或静态过载的结果。牙齿的未对准也会导致牙齿破损。疲劳骨折是最常见的破损类型,从根圆角的裂缝中产生慢慢进展。

润滑缺点

润滑剂的问题会导致各种各样的痛苦。划痕和擦伤通常是由油膜击穿引起的,无论是由于油中的污染物还是粘度过轻,这反过来又允许金属对金属接触和高工作温度。

润滑剂中的颗粒污染物会导致磨料磨损。点蚀有时表明润滑剂内有腐蚀性材料或使用的齿轮润滑剂类型不正确,如用燃料油代替齿轮油。

如果齿轮在没有足够润滑的情况下操作,损坏将进入齿轮齿降低并失效。

故障诊断和检查

首先,重要的是要注意适当的润滑和润滑实践有助于防止齿轮故障。大多数齿轮故障由于润滑不足或中断而导致,包括这种事件,作为润滑剂供应不足,使用错误的润滑剂类型,污染或发泡。适当的润滑剂的选择是基于齿轮类型;负载,输入功率和减少率;运行速度;和环境和工作温度。

虽然您应该始终遵循OEM的建议,但美国齿轮制造商协会在AGMA 9005-E02和AGMA 9000-F16中提供标准。这些文件放置了应使用哪种类型的齿轮润滑剂,其中基于齿轮速度和载荷推荐润滑剂粘度。

故障排除

要排除故障,使用团队和客户的工程和可靠性人员一起工作的根本原因分析方法。然后,您将需要收集不同类型的数据,同时使用适当的检查方法。

收集数据

  • 使用检查表或适当的文件。
  • 记录发生的故障类型。
  • 采访运营商。
  • 记录证据;拍照。
  • 查看背景信息;查看服务历史和维护记录。
  • 审阅齿轮驱动组件图纸和其他可以提供洞察力的图纸。

检查方法

  • 从外观检查开始。四处走动,检查检查检查口岸。
  • 进行温度测量,红外,RTD探头,或热成像。
  • 振动分析。
  • 检查过滤器。
  • 使用磁性碎片收集器。
  • 测量齿轮侧隙和轴端间隙。
  • 用染料渗透剂记录齿面接触模式。
  • 做润滑剂分析。
  • 记录一切。

图9提供了用于检查变速箱的项目列表。

图9:包装这些工具沿着变速箱检查。(礼貌:Shutterstock)

对于目视检查,首先要四处走走,寻找过热、腐蚀、污染、漏油和损坏的迹象。同时,寻找运动的证据,如油漆破裂或螺栓、结构紧固件和接口上的微动腐蚀。检查呼吸和轴密封。

对于检查端口,检查螺栓是否紧密,盖子已正确密封。只有合格的人员应使用适当的锁定和图标程序打开检查端口。观察齿轮,轴和轴承的状况,并用磁性颗粒检测设备检查齿轮。

过热的迹象包括:

  • 从轴、密封件或呼吸器中冒出的烟。
  • 房屋上的油漆变色或烧焦。
  • 在没有漆的表面上的钢化颜色。
  • 视镜或量油尺内油位低。
  • 泡沫出现在视野玻璃或从呼吸器。
  • 深色石油。
  • 犯规或刺鼻的气味或刺激的气味。
  • 玻璃上有水或滤芯上有污泥。
  • 磁性插头、芯片探测器和过滤器上的金属芯片出现蓝光。

创建一个过热检测检查表,包括:

  • 可见过热迹象。
  • 记录齿轮箱温度计或温度探头,红外温度计或红外成像以零百分比,50%和100%负荷的操作温度;朝向外壳对角线拍摄探头 - 如果5°C(41°F)差异,这是未对准的迹象。
  • 对于带油冷却器的压力供给系统,测量变速箱油进口和出口的温度,以及冷却器水进口和出口。
  • 检查变速箱内部部件。
  • 测量变速箱的声音和振动,并与允许的极限进行比较。
  • 取油样品进行分析。

齿轮间隙和轴端口

通过安装拨号指示器测量齿轮齿齿,因此类似于小齿轮齿轮廓。阻挡齿轮以防止其旋转。慢慢地轻轻地摇滚小齿轮。

而且,通过在轴的末端安装拨号指示并在轴向上移动轴来测量轴端口。在大多数情况下,这需要一个夹具在中央轴上具有滚珠轴承,允许推动和拉动轴,而旋转轴承滚轮。

齿轮齿接触图案

接触模式可以揭示齿轮啮合失调。最理想的情况是,检查它们应该在齿轮传动的调试期间进行,并在使用期间定期进行,每一年或两年一次。你也应该检查他们之前拆卸齿轮传动维修或检查。

为此,请在卸载和加载条件下运行接触模式测试。像往常一样,收集证据——记录、记录和拍摄齿轮接触模式。

检查卸载图案,彻底清洁并用柔软的标记化合物如牙齿标记润滑脂涂上一个齿轮上的牙齿。通过网状滚动牙齿,使化合物转移到未涂片的齿轮上。例如,手动转动小齿轮,同时用手或制动器向齿轮轴施加光负荷。从带透明胶带(#845,书型,两英寸宽)和安装纸上的齿轮抬起图案,以形成永久记录。

图10显示标记的一个空齿轮模式转移到透明胶带。图像显示,接触是徘徊从中心,到齿轮面左端。偏差发生。

图10:磁带上的卸载齿轮图案显示错位。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

为了检查加载的模式,油漆几个齿在一个或两个齿轮与薄涂层的机械布局漆,如戴克姆。在百分之二十五,百分之五十,百分之七十五和百分之百满载的负载下运行齿轮。每负荷运行约一小时后检查花纹。最佳接触模式将覆盖近100%的主动面齿轮齿在满载。拍摄的模式和提升模式从齿轮与透明胶带和安装在纸上形成一个永久的记录。

图11显示了50%负载(左)和满载(右)的齿轮模式。

图11:模式在50%的负载(左)和满载(右)不同。(礼貌:Lawrence Ludwig Jr.)

已发布的概要文件将向您显示要查找的内容,如图12所示。例如,(a)显示了如果齿轮是摆动的图案。

图12:这些图案展示了不同种类的不规则磨损。(礼貌:Schaeffer制造业公司)

润滑剂分析

分析实验室中的失败变速箱并将其与未使用的样品进行比较也很重要。这种分析可能会揭示油是否符合OEM规范,无论是污染还是退化,以及是否代表服务油。石油可能包含发现失败根本原因的证据。

进行润滑剂分析测试:

  • 视力检查。
  • 气味。
  • 在热板上进行裂纹测试,看是否含有水分。
  • 40℃粘度ASTM D445。
  • 光谱分析ASTM D5185或D6595。
  • FTIR。
  • Karl Fisher ASTM D6304。
  • 酸号ASTM D664。
  • 铁蝇分析。
  • 颗粒计数ASTM D7647。
  • 统治者方法(线性扫描伏安法)。

抽样程序

使用样品端口尽可能靠近齿轮组取出油样品。诸如Hydrotechnik GmbH制造的最小值的样品口具有12英寸的管延伸,可以安装在漏极中,可以在您选择的位置终止。用于安装的拇指规则是将管的端部保持距离任何内部静态或动态表面至少两英寸。在采用样品进行分析之前冲洗端口和管至少10次,约为3至4盎司的液体。

如果通过排出油藏采用样品,请留出至少三个样品。对于第一个样品,通过筛网排出油以捕获可能夹带的任何大型磨损碎片或断裂片段。在捕获样品之前,让任何自由排水。对于第二个样品,请靠近排水的中间。从视线规格或直接测量中估算齿轮箱中的油位。将第三个样品靠近排水末端。该样品可能捕获较少密集的污染物。

记录一切

记录整个团队的工作非常重要。用书面形式描述所有重要观察。在需要时附加草图,照片和石油分析报告。识别并标记每个部件,包括齿轮齿和轴承辊。标记所有轴承,包括舷内和舷外侧面。

以一致的方式描述组件。以相同的顺序完成各个部分。集中精力收集尽可能多的证据。在所有证据被考虑和记录下来之前不要得出结论。

参考

  1. 失效分析:齿轮-轴-轴承-密封件,108-010,1978年8月,Rexnord Industries, LLC,齿轮集团。可以在www.rexnord.com/contentitems/techlibrary/documents/108 - 010 _manual。

根据摩擦学和润滑技术(TLT),摩擦学家和润滑工程师协会的月杂志的许可转载,这是一个在伊利诺伊州公园岭的国际非营利性专业社会,www.stle.org.

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《阿凡达》
Lawrence Ludwig Jr.于2017年10月18日将本文作为网络研讨会。他是Schaeffer制造公司的首席化学家/技术总监圣路易斯,密苏里州圣路易斯,是STLE,ASTM,ASME和SAE的成员,如well as a member of the NSF International’s Non-Food Compounds Registration Steering Subcommittee and NLGI’s Food Grade Lubricants and Bio-based Lubricants Working Groups.
《阿凡达》
Lawrence Ludwig Jr.于2018年10月24日作为网络研讨会提交了这篇文章。玛丽贝克曼为基于劳伦斯路德维格Jr.的网络研讨会创建了这篇文章。