摘要：在矿产资源开采的过程中，由于作业的环境和设备的老化极易出现齿轮失效的现象。在此基础上，本文对有关采械传动齿轮在运行的过程中产生失效的相关问题展开阐述，主要就产生失效的原因进行了系统的梳理和分析，并针对性的提出了切实可行的优化措施。
关键词：机械设备；转动齿轮；失效
机械长期的运行以及其运行过程中出现的摩擦问题，会导致齿轮的传动出现故障。齿轮失效不仅是机械内部运行造成的，一些外部因素也会导致齿轮失效，因此，需要从多个角度对齿轮失效的形式进分析，并结合其运行环境找出造成齿轮失效的关键因素，进而采取有效的解决措施提升齿轮运行的寿命与效率。
一、齿轮失效形式
齿轮运行的一般环境都较为润滑，但在实际应用中，齿轮的运行过程因为要涉及较多的因素，且每一个齿轮的失效模式与其运行环境有关，通常可以根据齿轮的运动方式把齿轮间啮合运动分为滚动运动和滑动运动。由此可知，齿轮间的摩擦不仅有滑动摩擦还有滚动摩擦。齿轮失效的形式一般可分为齿面磨损、齿面点蚀、齿轮剥落、齿面胶合与划痕、齿根疲劳裂纹和断齿。
二、齿轮失效模式形成原因
（一）齿面磨损
齿面磨损是齿轮失效最为常见的形式，其表现形式多样。出现齿面磨损的原因在于机械设备在运行过程中随着工作时间以及工作环境的改变而出现差异化的磨损，一般常见的齿面磨损为磨料磨损。齿轮一旦出现齿面磨损，则会改变齿轮的形状，使齿轮在运行过程中出现异常噪声、冲击等问题。齿面磨损问题虽然说是机械设备运行中不可避免的问题，但决不能忽视。
（二）齿面点蚀
齿轮在转动时，齿轮接触面不仅会受到压应力和拉应力，还会受到剪切力的作用。齿轮在啮合过程中，主动轮齿面啮合点从齿轮根转至齿轮顶部，且速度在不断增加，相反，被动齿轮面啮合点由齿轮顶转移至齿轮根，且速度在逐渐下降。因为主动轮齿面和被动轮齿面间相对滑动速度是零，所以两齿轮顶部份滚动方向和滑动方向相同，表面受到压应力，而两齿轮根部滚动方向和滑动方向相反，表面受到拉应力。在两种作用力下（压应力、拉应力），齿轮表面会出现一种脉动变化的剪应力，当该剪应力大于齿轮材质的剪切疲劳极限时，齿轮表面就会产生疲劳裂纹。齿轮表面的这种裂纹随着运行时间的增加会造成齿轮表面的金属出现小块剥落，在齿轮表面产生小坑。这种现象就被称为齿面点蚀。
（三）齿面剥落
齿面剥落常发生在材质为高硬度钢的齿轮中，该问题大多是齿轮表面缺陷造成的，另外热处理引发的高内应力同样会造成齿轮齿面剥落。齿面剥落表现最为明显的特征是齿轮表面有大小不一的颗粒或碎屑沿齿轮顶和两端剥落，剥落的碎片比齿面点蚀更加光滑，两者的不同主要在于程度上的不同。
（四）齿面胶合和划痕
齿面胶合的出现主要是金属物在焊接完成后产生的微小接触颗粒会因为齿轮运行而受到拉扯进而裂开，最终导致齿轮面的金属出现脱落。齿面胶合的表现形式为齿轮表面沿齿轮的滑动方向出现刮痕或沟槽，齿面胶合问题在刚开始出现时可能只发生在齿轮的局部，但若胶合问题未及时解决，则会迅速扩大。通常新齿轮极易出现齿面擦伤，若润滑油粘度过低或运行温度过高也会造成齿面划痕。
（五）齿根疲劳裂纹和断齿
齿轮在运动过程中，齿轮表面会受到接触应力，当接触应力值大齿轮材质的接触疲劳极限时，在重复的载荷作用下，齿轮表面就极易出现疲劳裂纹，而裂纹的蔓延又会造成齿轮表面出现局部材料的脱落，产生麻点。尤其是齿轮表面硬度小于350HBS的闭式软齿轮面，极易出现此类形式的齿轮失效问题。此外，齿轮一般需要承受一定的荷载，使得齿轮出现弯曲疲劳，进而造成其根部出现裂纹。
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三、齿轮传动的改进措施
（一）优化设计部署
在工业生产过程中，齿轮失效问题的出现是不可避免的现象，在齿轮尺寸不变的情况下，提升齿轮的强度成为解决齿轮失效问题的主要手段。在这一改良过程中需要对齿轮的设计进行优化与改进，从而确保齿轮强度提升的同时能够满足齿轮承载力的需求。因此，在对齿轮进行优化设计时，设计人员需要不断地对齿轮进行对比与参数优化设计，对齿轮的承载进行精确计算，此外，需要对齿轮的强度计算公式进行优化改良，确保齿轮在提升强度的同时能够满足齿轮的实际承载需求。另外，在齿轮的加工制造过程中，需要注意齿轮表面的光滑度，最大限度地防止齿轮在运行过程中受到外部因素影响而出现齿轮失效问题。设计人员还可以结合齿轮的实际运行环境与工作特点，有针对性地对齿轮进行优化改良，进而确保齿轮传动的安全稳定性。
（二）把控材料的选择
选取合适的齿轮材料是避免机械设备齿轮出现磨损的重要手段，因此，在确定齿轮材料时应对所选取的齿轮材质进行强度以及韧性的考量与检测，同时也应将材料的加工工艺考量在内。在对齿轮进行优化设计时，应尽量选取那些高强度的材质，以此提升齿轮的强度，一般而言，在工业生产中低碳锰钢较材质的齿轮较为常见，这种材质制造而成的齿轮具有较高的耐磨性，且加热性能较好，易于进行工艺的改良。使用这种材质制造而成的齿轮，在实际应用中其强度以及耐磨性能较一般材质均有较高的提升，大大降低了齿轮失效问题的产生。另外，为确保齿轮具有较高的韧性，在进行齿轮制造时常常加入一些合金来提升齿轮的抗磨、抗腐性能。
（三）优化加工工艺
在进行机械滚轮制造加工时，为了将齿轮误差降至最低，一般不宜将齿轮粗滚工序和精简工序混合。最优的处理办法就是将两者分开处理，先进行粗加工再根据实际需求进行精滚齿轮加工。在进行齿型加工时，应确保其加工等级不小于9级精度。一些学者在对齿轮粗糙度对齿轮寿命影响进行研究时发现：齿面粗糙度较好的齿轮使用寿命为粗糙度较差的齿轮寿命的十倍左右。因此，在加工过程中，应对齿轮的粗糙度进行合理把控，根据笔者的实际经验，在对齿轮粗糙度加工时，最好采用电刨光或振动抛光方式。
（四）增强齿轮处理
影响齿轮的使用寿命和承载力的因素，除了齿轮的使用材质外，还包括齿轮芯部过渡区表面的剪切力和其表面强度。在对齿轮芯部过渡区进行处理时，应采用深层渗碳的方法进行处理。使用深层渗碳法不仅可以提升整个齿轮芯部的硬度与强度，还可以显著增强齿轮表层硬化深度，处理后的齿轮在运行过程中，其芯部过渡区就不会出现过多的参与拉应力，进而延缓齿轮失效。
（五）做好润滑工作
润滑对齿轮的使用寿命有重要影响，在工业生产过程中，齿轮多是低速重载齿轮。这类的齿轮因为具有较高的接触应力，所以齿轮接触面的局部弹性性能就显得尤为重要。因此在进行齿轮弹性变量设计时，设计人员需要严格遵循相关理论，并结合实际需求进行齿轮润滑参数的计算与设置。
齿轮是现代工业生产中应用最为广泛的机械零件，然而在实际应用中出现齿轮失效的问题是无法避免的。齿轮失效问题的产生和产品的加工类型、数量、质量、加工工艺以及机械的设备运行速度具有重要联系，因此，在实际应用中应针对齿轮失效的不同形式进行深入研究，有针对性地提出相应的解决方案，以此确保机械设备的正常运行。
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论文作者:李奕雄
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/8/1
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