齿轮磨损模式和25种故障类型,我国超精密齿轮技术的“进化”

2022-06-05 11:02:09  信息编号：K218666  浏览次数：113

做机器故障诊断要掌握故障特征，还需要了解故障机理。本文对齿轮磨损模式，故障类型包括齿面疲劳、塑性变形、齿破碎和其它损伤进行了整理，配合图片加深理解。

01齿轮磨损

齿轮磨损是齿轮接触表面的材料摩擦损耗，类型有：轻微磨损，中等磨损，过度磨损，磨粒磨损，腐蚀磨损，胶合，无光泽，中度胶合，破坏性胶合，局部胶合，齿顶齿根干涉。

1.轻微磨损

轻微磨损是一种非常缓慢的磨损现象，它是由运行过程中金属间的相互接触造成的。这种磨损使齿轮表面光滑更加适合运行。

2.中等磨损

中度磨损一般由润滑油（脂）量少引起，油膜的厚度对于负载来说太薄。它也可能由润滑系统中参杂的污染杂质引起。许多齿轮传动设计在这种情况下运行。

3.过度磨损

过度是中度磨损发展而来，当一定数量的材料从齿面上磨掉，这时就到了过度磨损的阶段。节线附近伴有明显的点蚀现象。

4.磨粒磨损

在磨粒磨损中，接触表面将有整圈的、径向划痕标记或沟槽现象。外面进入到润滑系统中的杂质将引起磨粒磨损。

5.腐蚀磨损

腐蚀磨损是由化学成分造成的齿表面磨损，一般由润滑油中的活性组分造成，例如：酸、水分、极压添加剂。

6.胶合

胶合是由于啮合的齿轮局部过热导致齿面间的油膜消失使两齿面的金属直接接触、磨损的结果。

7.无光泽

齿表面无光泽一般由润滑不良导致啮合产生的热量引起。润滑油膜厚度在啮合产生的热量和旋转齿轮产生的大部分热量作用下变薄。

8.中度胶合

中度胶合显示的是典型的齿轮磨损模式，一般发生在齿顶或齿根或两者兼有。一般由润滑失效导致啮合产生的过多的热量引起。

9.破坏性胶合

破坏性胶合是沿滑动方向呈明显的粘撕沟痕的齿轮故障，一般由润滑不充分、工作温度过高、齿面接触应力或速度过高等原因引起的过热所造成。当润滑失效时，熔焊和撕裂迅速毁坏齿廓。

10.局部胶合

局部胶合发生在相接触齿面的局部区域上，一般是由于设计不当造成局部载荷集中的结果。

11.齿顶齿根干涉

齿顶齿根干涉是胶合的一种，齿根附近的齿廓显示出明显的脱落并且可能常常显示出破坏性的径向划痕。

02齿面疲劳

齿面疲劳是由齿轮表面或次表面的交变应力超过材料的许用应力而导致的材料失效引起的。齿面疲劳的显著特点就是齿面金属脱落形成的凹坑。

齿面疲劳的类型有：点蚀，早期点蚀，破坏性点蚀，剥落，齿面塌陷。

1.早期点蚀

早期点蚀的特点是出现0.15到0.3英寸的小坑，一般发生在局部应力过高区。是由相互啮合的齿面贴合不良引起的。

2.破坏性点蚀

破坏性点蚀的特点是齿面表面的麻点比早期点蚀的大而深。破坏性点蚀通常是由齿面应力过高而早期点蚀不能缓解的结果。

3.剥落

剥落只发生在完全硬化，或通常情况下淬火钢，由于热处理使表面或次表面产生裂纹或内部应力过高造成的。

4.齿面塌陷

齿面塌陷是超过材料的极限应力造成的次表面疲劳失效。

03塑性变形

塑性变形是齿面在冷态下，由高接触应力和齿面在啮合中的滚动和滑动造成的。塑性变形的类型有：起脊，碾击塑变，鳞皱。

1.碾击塑变

碾击塑变一般是齿在高负载下滑动和不合适的齿产生的冲击载荷共同作用的结果。

2.鳞皱

鳞皱是一种呈鱼鳞状皱纹的齿面塑性变形，这种皱纹垂直于滑动速度方向。它一般发生在硬齿面上。通常是润滑不良、重载或振动的作用下，工作齿面间产生“爬行”的结果。

3.起脊

起脊是由于齿面间的磨损和表面或次表面材料的塑性流动形成的深脊。它通常和重载和润滑不良有关。除非材料还有能力进行表面硬化否则齿轮会完全失效。

04齿破碎

破碎是指整个齿或齿的主要部分的破裂，可能是由过负荷，或者齿所受的周期性应力超过了材料的耐受极限。有三种类型：过载破碎，弯曲疲劳破碎，随机破碎。

1.弯曲疲劳破碎

源于齿根部的裂纹，大部分故障是由齿负荷过载引起的，其导致根部应力高于材料的耐受极限。

2.过载破碎

是一种纤维状破裂，有被拉或撕开的痕迹。可能源于轴承抱轴，被驱动设备故障，外界物质进入齿啮合，或者由于故障轴承导致的突然不对中。

3.随机破碎

通常由齿的缺失引起，其导致高的应力集中于一个特定区域。

05其它损伤

其它损伤是由一些其它原因导致的齿轮失效，这些原因可能是处理不当、环境因素或偶然事件等。例如：淬火裂纹，磨削裂纹，轮缘和辐板损伤，电蚀。

1.淬火裂纹

淬火裂纹是由于淬火过程中产生的过大内应力造成的。

2.磨削裂纹

磨削裂纹主要是由于磨削过程中引起的，通常是磨削技术或热处理不当引起的。

3.轮缘和辐板损伤

轮缘和辐板损伤通常发生在两相邻齿之间的齿根部。辐板裂纹是由辐板中的井造成的应力集中或辐板振动引起的。

4.电蚀

电蚀损伤引起的小坑均匀的分布在界定好的齿的表面上。这些小坑是由杂散电流放电或电流通过快速离合的啮合齿面向接地零电位流动时产生的。

齿轮润滑故障模式

齿轮润滑的基本作用是尽可能地保持啮合的齿表面分离，由于这个目的从未完全达到，则润滑剂不能达到这个理想状态的程度将由齿损坏的类型和程度反映出来。

工作中的齿轮齿总会磨损，可期望的最好状态是“正常”磨损。这个术语是不准确的，它通常会随齿轮类型和应用的不同而变化很大。但是可以将其理解为一个足够低磨损率，导致可接受的寿命、不太可能发生灾难性磨损。

研磨磨损用于描述齿表面以比正常磨损高的多的速率的连续磨损。油液中坚硬的固体颗粒污染通过刮划齿表面产生这种类型的磨损。细微颗粒的研磨可导致明显的表面磨光。

研磨磨损齿表面接触的程度一般不足以引起熔着磨损，即焊接然后撕下剥片。熔着导致非常粗糙的表面，产生高速率的齿表面金属剥离。这是润滑失效的一个指示，唯一可用的补救方法是更换损坏的齿轮。油中使用EP添加剂可防止熔着；齿轮硬化，整体硬化或表面硬化，有助于承受高的齿间载荷。

熔着总是开始于齿的端部（即在顶部和根部）并向节线方向发展。在这些点滑动速度最大，因此接触温度最高。在节线点齿的相对运动是纯滚动，因此很少熔着，即使有很大过载荷存在。

当齿载荷过载时，常见表面点蚀发生。由于节线上的齿接触为纯滚动，点蚀更容易在齿的这个区域突发，并且通常是在过载引起齿顶和齿根区域熔着之前发生。如果齿是硬化的，并且使用EP润滑油减少熔着倾向，在比熔着发生较低的载荷下，点蚀可能在齿顶和齿根发生。

点蚀是一种疲劳现象，发生于承受重复周期应力的材料表面。事件的顺序以表面出现裂纹开始，当在负荷下齿表面相互滚过，润滑剂在裂纹中产生压力而放大这些裂纹。初始裂纹由于齿表面在滚动作用下变形而发生，因此，表面的局部应力在咬入期间较高，如果该过程延长，可能突然发生节线处点蚀。以这种方式发生后，点蚀或者依靠型锻或研磨过程被“治愈”，或者如果表面应力足够高，它将扩展到齿顶和齿根。后一种情形点蚀称为“进展性点蚀”，但是通常不可能从初始点蚀预测它是否为进展性。可能的情况下，减小负荷将延迟点蚀的发作，一定程度增加油的粘度也起到同样作用，前者的作用将较大。

涡轮的点蚀是一个相当常见的现象，通常钢材料蜗杆和青铜蜗轮组合，一般不影响运行。

齿轮在机械设备传动方面应用广泛。

在齿轮的精度等级中，6~8级为中等精度等级，可应用于机床与汽车等工业设备；3~5级为高精度等级，主要应用于超精机床、仪器、船舶、雷达以及航空航天发动机等具有高速高平稳传动要求的场合；1~2级精度为超精密等级，主要作为**或国际齿轮量仪校对和精度传递实体基准。

20世纪60年代，为迅速建立社会 主义工业化的基础以及满足大型国防工程建设的需要，齿轮逐渐量产化的同时，对齿轮精度的要求愈来愈高。

为完成高精尖国防设备的制造任务以及应对超精密齿轮技术封锁的挑战，中国精密机械和微纳机械专家、中国科学院院士王立鼎带领团队历经40余年的时间，将齿轮精度从7级精度逐步提高至1级（其中齿轮精度从4级精密级到2级超精密级、2级到1级超精密级的阶段是超精密齿轮技术从形成到完善的最关键时期），使中国从超精密齿轮技术落后的境地追赶至世界领先。

超精密齿轮技术，4级到2级的“进化”

背景

1960年，国防部某部门要求长春光学精密器械所（现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，以下简称长光所）研制出一台光电经纬仪，以跟踪我方和敌方的飞机与导 弹。

这种大型仪器设备包含大量的齿轮传动，要求齿轮精度达到6级以上，但当时国内加工的齿轮精度多半为7级，身为长光所研究实习员的王立鼎参与了这一项目，他利用Y7131锥形砂轮磨齿机对齿轮进行磨削与优化，圆满完成了国防任务，而后又在Y7431磨齿机上研发出4级标准齿轮。

现行齿轮标准与精度等级对应

ISO1328-1：1995、ISO1328-2：1997为国际标准；DIN3962-1~3：1978为德国国家标准；JISB1702-1：1998、JISB1702-2：1998为日本国家标准；ANSI/AGMA2015-1A01、ANSI/AGMA2015-2 A06为美国国家标准；GB/T10095.1-2008、GB/T10095.2-2008为中国国家标准

1965年，国家要研制新型精密测量雷达，其中雷达方位测角系统所用的轴角编码数据传动齿轮箱由长光所承担研制。

长光所成立专门的研制小组负责齿轮箱的设计、工艺与测量工作，攻关小组要独立完成齿轮箱的研制工作，王立鼎是该组的研究实习员。

难题及解决

超精密齿轮加工的整个流程可以概述为将原始的齿坯安装到磨齿机床上，根据被磨齿轮的参数对机床进行选择与调整参数，结合磨齿工艺进行人为技术操作，最后经过测量仪测量，其精度需达到国际齿轮标准3级以上。

磨齿机床是超精密齿轮技术的核心要素。攻关组当时有2台磨齿机床——从英国进口的蜗杆砂轮磨齿机床和国产机床Y7431，由于后者可加工更大直径的齿轮，王立鼎选择此台机床进行改装与精化。

1963年，王立鼎先将Y7431的滑动摩擦加工主轴更换为具有高精度、摩擦力矩小的密珠滚动轴系，这为后来研制精密雷达中的编码齿轮奠定了重要技术基础，也是机床精化的一大创新举措。

第一届全国机械传动年会结束后，王立鼎跟随同事去上海机床厂调研电池设备中的分度技术，发现他们所研制的录磁机中的录磁盘回转轴系是由多颗高精度钢球构成，从而直接保证了录磁盘的精度。

这一技术启发王立鼎解决机床主轴结构设计问题，他在机床主轴加入400颗钢球，使主轴刚度大幅度提高，保证轴承不易弯曲，也促使误差发生均化效应，主轴精度由原来的2μm误差减小到0.5μm，高于国内生产水平。

磨齿机床按照功能性可以划分为砂轮系统、展成系统与分度系统三大技术模块。

王立鼎认为机床的分度精度是提高齿轮精度的关键，而分度盘是分度系统的核心要件，其精度决定了齿轮的分度精度。

大平面砂轮磨齿机结构

王立鼎将高精度的多面棱体安装在磨齿机床齿轮的位置，分度盘装置在度盘后面，利用精密的轴系将多面棱体的精度传递给分度盘，借此将分度盘精度提高至一二十角秒，但还需进一步提高精度。

王立鼎画出分度盘误差的数学模型图，显示为一条正弦曲线，他假设此正弦曲线为安装偏心导致的正弦误差，在相反方向画出一条反正弦曲线，从而与实际正弦相抵消来减少纵坐标的误差量，依照反、正弦曲线调整分度盘大大提高分度盘的精度。这便是王立鼎自创的“正弦消减法”。

而后，王立鼎用小锉刀依次研磨分度盘的牙齿，经过2周昼夜不停地研磨，分度盘精度达到加工要求。

然而，超精密齿轮加工是需要在恒温、防尘与防震的实验环境下进行，国内超精密齿轮实验室设备简陋，无法满足超精密齿轮加工的要求。

王立鼎让助手白天进行半精加工工作，自己在夜晚相对安静的环境下进行超精加工，每天到凌晨5点左右，然后打开实验室的门，使齿轮能够快速降温，以便于测量实验室人员白天上班后进行测量。

一年后，王立鼎等人如期完成编码齿轮的研制任务，之后王立鼎共参与研制了5批雷达编码齿轮，都相继装载到中国最精密的雷达上，至今尚未出现任何问题。

但王立鼎未满足于已有的科研成绩，为转变中国超精密齿轮应用领域被动的境况，他毅然决定继续钻研攻克超精密齿轮技术难题，直至研制出1级超精密齿轮，使得中国的超精密齿轮技术不仅要跟上发达国家的步伐，还要领先于国际水平。

为了使机床分度系统能充分达到研制2级精度齿轮的要求，王立鼎彻底改装分度机构，添加了端齿自动分度机构，将端齿自动分度机构装备于机床尤其是精密机床用来磨齿，这一点是国内首创。

1977年，王立鼎将端齿分度机构改装到Y7413机床，改装后的机床能够稳定研磨出西德齿轮标准DIN3962-1977中的2级精度的“小模数标准齿轮”。

他所研制的德国DIN标准3级和2级精度的“小模数标准齿轮”在1978年先后获得了中国科学院的重大科技成果奖和全国科学大会奖。

此外，王立鼎于1976-1978年研制“端齿轮自动分度机构”替代了传统齿轮磨床上的分度盘。

他还进行了多种模数齿轮的研究，其中“中模数基准标准齿轮”获中国科学院科技进步一等奖，中国计量科学研究院将之用作**齿轮精度实体基准。

超精密齿轮技术，2级到1级的“进化”

背景

1985年中国正式全面启动科技体制的改革，在第一阶段，以开拓技术市场为突破口，引导科技工作面向经济建设，促进科技与经济的紧密结合。

1986年成立国家自然科学基金，以推动自然科学基础研究的发展。

在此背景下，王立鼎以“渐开线误差形成规律和最佳成型方案的研究”为课题申请了国家自然科学基金项目，目的是研制出1级精度标准齿轮，“从事科研，我们要跟世界去比较，要为中国科学事业做出贡献”。

创新

常用齿轮的齿形有摆线、圆弧、渐开线等曲线，渐开线齿轮具有传动平稳、振动小、输出转速恒定无波动等优点，是现代机械装置应用范围最广的齿轮。

超精密齿轮就是应用了渐开线的齿形设计，降低齿轮齿形误差的关键是提高机床渐开线凸轮的精度。

1993年，王立鼎不仅研发出双滚轮式渐开线磨削装置，还进一步设计并制造了渐开线测量装置，为中国计量科学研究院提供了校对仪器。

王立鼎所研制的高精度渐开线样板，不仅可用于机床磨削出1级精度齿形，还能作为中国计量科学研究院渐开线精度传递的基准，该项成果于1999年荣获国家科技进步三等奖。

通过密珠滚动轴系、“正弦消减法”、端齿分度机构和渐开线样板磨削与测量装置这些创新技术的应用，磨齿机床的精度已满足磨削1级精度超精密齿轮的要求，但是超精磨齿轮的磨削还需要在加工工艺方面进行革新。

王立鼎效仿分度盘的误差规律，将齿轮旋转180°后磨削一半的齿轮，停止磨削齿轮的剩余部分，将齿轮精度从原先的60″提高至45″，他将这种磨齿加工工艺命名为“易位法”。

王立鼎认为“易位法”的发明关键在于要特别注意实验现象，他在机床旁边专门放置一个办公桌，便于在加工齿轮时能够一边分析一边记录，他还注意听磨齿的声音来判断齿轮加工程度。

在工作实践中只有特别留意各种现象，抓住问题一一突破，才能进行技术创新，不断进步。

此外，配合新工艺，王立鼎带领团队成功研制出5种国际标准化组织制定的标准（ISO标准）1级精度标准齿轮，并于2016年进行了科技成果鉴定，结论为“精度指标达到国际领先”。

意义

中国是首个掌握1级精度基准标准齿轮核心技术的国家，因此其成功研发具有重要的科研价值与应用前景。

科研价值方面

王立鼎所研制的磨齿机床Y7125及其磨齿工艺填补了国内外1级精度齿轮制造工艺的空白，奠定了中国超精密齿轮领域在国际上的领先地位，突破了超精密齿轮的制造质量难关，提升了中国齿轮制造业的技术水平，为中国成为齿轮制造强国打下坚实的基础；

1级超精密齿轮作为齿轮精度传递基准，被中国计量科学研究院以及企业用来鉴定普通精度的齿轮或齿轮测量仪器，提高了齿轮检测效率，适用于规模生产；

超精密齿轮技术在工业生产、航空航天及军 用装备等多个重要领域起到关键作用，具有重要的战略地位。

应用前景方面

王立鼎于20世纪90年代所研制出的高精度渐开线样板，主要用于精化渐开线凸轮来磨削齿轮，而基准级齿轮渐开线样板和齿轮螺旋线样板特指1级及以上精度的齿轮渐开线和螺旋线样板，用于**齿轮渐开线和螺旋线的量值传递基准。

另外，工业机器人作为高端智能制造的代表，对此生产需求大幅度增加，而中国的减速器起步晚且主要依赖进口，导致中国工业机器人发展受到极大限制。

由于减速器中包含了大量齿轮传动，精密减速器对齿轮精度有极高要求，因此加快精密减速器国产化成为中国未来工业机器人发展战略的主要课题，也是超精密齿轮技术领域中的重大研究方向。