疲勞點(diǎn)蝕的定義及特征

    點(diǎn)蝕又稱(chēng)接觸疲勞磨損，是潤(rùn)滑良好的閉式傳動(dòng)的常見(jiàn)失效形式之一。？齒輪在嚙合過(guò)程中，相互接觸的齒面受到周期性變化的接觸應(yīng)力的作用。若齒面接觸應(yīng)力超出材料的接觸疲勞極限時(shí)，在載荷的多次重復(fù)作用下，齒面會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋；封閉在裂紋中的潤(rùn)滑油的擠壓作用使裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致表層小片狀剝落而形成麻點(diǎn)，這種疲勞磨損現(xiàn)象在齒輪傳動(dòng)中稱(chēng)為點(diǎn)蝕。節(jié)線(xiàn)靠近齒根的部位最先產(chǎn)生點(diǎn)蝕。潤(rùn)滑油的粘度對(duì)點(diǎn)蝕的擴(kuò)展影響很大，點(diǎn)蝕將影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性并產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和噪音，引起傳動(dòng)失效。

    點(diǎn)蝕又分為收斂性點(diǎn)蝕和擴(kuò)展性點(diǎn)蝕。

    收斂性點(diǎn)蝕指新齒輪在短期工作后出現(xiàn)點(diǎn)蝕痕跡，繼續(xù)工作后不再發(fā)展或反而消失的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。收斂性點(diǎn)蝕只發(fā)生在軟齒面上，一般對(duì)齒輪工作影響不大。？

    擴(kuò)展性點(diǎn)蝕指隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)擴(kuò)展的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，常在軟齒面輪齒經(jīng)跑合后，接觸應(yīng)力高于接觸疲勞極限時(shí)發(fā)生。硬齒面齒輪由于材料的脆性，凹坑邊緣不易被碾平，而是繼續(xù)碎裂成為大凹坑，所以只發(fā)生擴(kuò)展性點(diǎn)蝕。嚴(yán)重的擴(kuò)展性點(diǎn)蝕能使齒輪在很短的時(shí)間內(nèi)報(bào)廢。

    疲勞點(diǎn)蝕的實(shí)例

    某重型車(chē)輛側(cè)減速器主動(dòng)齒輪發(fā)生了早期失效，失效齒輪與行星轉(zhuǎn)向機(jī)相連，將全車(chē)動(dòng)力傳遞到行動(dòng)部分，是全車(chē)受載最大的齒輪，始終在大載荷、高轉(zhuǎn)速、多沖擊的復(fù)雜苛刻環(huán)境下工作。齒設(shè)計(jì)上采用整編為齒輪，傳動(dòng)比為5.9，潤(rùn)滑方式為油池飛濺潤(rùn)滑，實(shí)效齒輪材料為18Cr2Ni4WA鋼，采用滲碳+淬火+低溫回火熱處理工藝。

    失效齒輪發(fā)生嚴(yán)重的接觸疲勞失效，使用壽命未達(dá)到規(guī)定時(shí)間。采用斷口分析、金相分析、硬？度測(cè)試及有限元接觸應(yīng)力分析等方法對(duì)齒輪進(jìn)行失效分析，查找該齒輪實(shí)效的原因（由于篇幅有限？以及結(jié)合自身知識(shí)面，僅列舉出端口分析和金相分析兩項(xiàng)結(jié)果）。

    1斷口分析

    通過(guò)對(duì)失效齒輪宏觀觀察發(fā)現(xiàn)。在嚙合受力齒面的節(jié)線(xiàn)附近靠近齒根一側(cè)，沿齒寬方向分布許多剝落坑，剝落坑附近有許多點(diǎn)蝕坑，這些點(diǎn)蝕剝落坑再吃款方向上基本連成一線(xiàn)，形成由點(diǎn)蝕剝落坑組成的凹坑帶，基本與齒寬同長(zhǎng)（圖1）。經(jīng)掃描電鏡觀察，失效齒輪的點(diǎn)蝕剝落坑帶上有較多面積在2mmz以上剝落坑，剝落坑最大深度為0.8mm，剝落坑底部有較淺的疲勞輝紋，底部大致與表面平行（圖2）。剝落坑側(cè)面一側(cè)大致與表面成45°角，另一側(cè)約垂直于表面，剝落部分一端與齒輪基體分離，形成懸臂梁（圖3）。通過(guò)對(duì)齒輪磨損面的分析，發(fā)現(xiàn)失效齒輪具有典型的接觸疲勞特征，而且齒輪節(jié)線(xiàn)附近偏向齒根一側(cè)的接觸疲勞較為嚴(yán)重。

圖1 ：失效齒輪的形貌

圖2 ：失效齒輪的點(diǎn)蝕和剝落

圖3 ：剝落坑形貌

    2顯微組織分析

    從失效齒輪輪齒部位取樣拋光。經(jīng)4％的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Olympus金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。試樣心部組織為低碳板條回火馬氏體及少量鐵素體（圖4）。滲碳層組織為高碳針狀回火馬氏體及少量殘余奧氏體，馬氏體針葉略微粗大（圖5）。按照J(rèn)B/T6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，試樣心部組織為2～3級(jí)，滲碳層馬氏體組織為4級(jí)，符合要求。但試樣滲碳層中有較細(xì)的白色網(wǎng)狀碳化物析出（圖6），按照J(rèn)B／T6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，試樣滲碳層碳化物為4.5級(jí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。經(jīng)掃描電鏡觀察，白色網(wǎng)狀碳化物在滲碳層表面附近呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀（圖7）。至距表面1mm處，白色網(wǎng)狀碳化物基本消失（圖8）。較細(xì)的白色網(wǎng)狀碳化物是齒輪在滲碳過(guò)程中由于冷卻速度較慢，奧氏體沿晶界析出細(xì)網(wǎng)狀二次滲碳體。這種白色網(wǎng)狀碳化物會(huì)削弱晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，降低齒輪的抗接觸疲勞性能。

圖4 ：失效齒輪的心部組織

圖5 ：失效齒輪的滲碳層組織

圖6 ：網(wǎng)狀碳化物

圖7 ：網(wǎng)狀碳化物

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圖8 ：無(wú)網(wǎng)狀碳化物組織

    討論齒輪齒面疲勞點(diǎn)飾損壞主要是因?yàn)檩嘄X工作時(shí)，其工作齒面上的接觸應(yīng)力是隨時(shí)間而變化的脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。齒面接觸應(yīng)力超過(guò)材料的接觸極限應(yīng)力時(shí)，齒面表層會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋。點(diǎn)蝕會(huì)使齒面減少承載面積，引起沖擊和噪音，嚴(yán)重時(shí)輪齒會(huì)折斷。根據(jù)損壞程度不同，點(diǎn)蝕可分為初始點(diǎn)蝕和破壞性點(diǎn)蝕。一般初始點(diǎn)蝕在齒輪磨合過(guò)程中可自行矯正或是擴(kuò)展性的，一般不致構(gòu)成破壞，而破壞性點(diǎn)蝕及表面剝落一旦出現(xiàn)，隨著齒輪的繼續(xù)使用點(diǎn)蝕和剝落區(qū)域不斷擴(kuò)大，可能導(dǎo)致齒面破壞。齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)震動(dòng)加劇，傳動(dòng)噪聲增大。當(dāng)其損壞達(dá)到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致輪齒折斷。尤其是關(guān)鍵性齒輪的損壞，可能造成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)或機(jī)械部件損壞的嚴(yán)重后果。對(duì)損壞齒輪尤其是早損壞的齒輪進(jìn)行失效分析，正確判定齒輪損壞類(lèi)型和破損程度。找出損壞的產(chǎn)生原因，從而提出并采取有效的預(yù)防措施，可以較少或預(yù)防齒輪類(lèi)似損壞事故的重復(fù)發(fā)生。以提高齒輪的使用壽命，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

    該重型車(chē)輛側(cè)減速器主動(dòng)齒輪的試驗(yàn)分析證明失效齒輪的失效形式為接觸疲勞失效。齒輪失效的主要原因?yàn)椋?/span>

    滲碳碳勢(shì)不足或者滲碳時(shí)間過(guò)短造成的滲碳層過(guò)淺。

    失效齒輪滲碳后冷卻速度較慢，造成奧氏體沿晶界析出細(xì)網(wǎng)狀二次滲碳體，而隨后的正火處理沒(méi)有有效消除網(wǎng)狀二次滲碳體。

    齒輪的接觸應(yīng)力較大，超過(guò)了許用接觸應(yīng)力。

    結(jié)論（點(diǎn)蝕的預(yù)防）

    輪疲勞點(diǎn)蝕損壞的預(yù)防齒輪疲勞損壞的預(yù)防具體可分為三個(gè)階段：設(shè)計(jì)期、制造期、使用期。

    1設(shè)計(jì)期預(yù)防

    齒輪輪齒相互嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，輪齒的接觸疲勞表面作滾動(dòng)或滑動(dòng)復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸應(yīng)力的作用下。表面金屬會(huì)形成疲勞斷裂。對(duì)于齒輪來(lái)講，通常齒根的彎曲疲勞和齒面接觸疲勞兩種失效形式占多數(shù)。齒面接觸疲勞的計(jì)算主要是了解接觸應(yīng)力的大小，是判斷正常設(shè)計(jì)情況下，齒面是否可能發(fā)生接觸疲勞失效的理論依據(jù)。輪齒表面和次表面金屬可能受拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力。接觸面間以純滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有滑動(dòng)現(xiàn)象。類(lèi)似于輪齒節(jié)線(xiàn)出的嚙合狀態(tài)，接觸表面在載荷作用金屬產(chǎn)生彈性變形，接觸區(qū)是以一定寬度的壓縮接觸而不是線(xiàn)接觸。壓縮帶中心區(qū)彈性壓縮最大接觸帶前后的金屬在應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性位移凸起。同時(shí)在該區(qū)域金屬皮下表層產(chǎn)生剪切應(yīng)力。應(yīng)力大小取決于金屬的彈性模量、金屬面承受的總壓力和接觸表面的曲率半徑。選用材料彈性模量和接觸長(zhǎng)度一定時(shí)，接觸表面應(yīng)力大小與接觸表面的曲率半徑有關(guān)。曲率半徑越小，接觸帶就越窄，單位表面的接觸應(yīng)力也就越大。承載轉(zhuǎn)動(dòng)表面受力分析表面，承載齒輪在嚙合傳遞動(dòng)力過(guò)程中，輪齒表面各處承受著不同形式的應(yīng)力作用。齒面和皮下金屬在拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)應(yīng)力作用后，齒面和皮下金屬可能產(chǎn)生微小裂紋形成疲勞源，隨之應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋將不斷擴(kuò)展以致相互連接起來(lái)形成小塊金屬脫落，齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕剝落，齒輪齒面產(chǎn)生疲勞損壞。

    2制造期預(yù)防

    齒輪的點(diǎn)蝕的最主要原因是齒輪嚙合沒(méi)有達(dá)到足夠高的配合精度造成局部接觸應(yīng)力過(guò)載，導(dǎo)致疲勞損壞。因此可通過(guò)以下幾種方式加以預(yù)防和控制齒輪的損壞，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性：

    提高齒輪加工精度。齒輪加工精度太低。造成嚙合的齒輪齒輪接觸不良容易造成局部齒面超負(fù)荷工作。使齒輪局部？實(shí)際接觸應(yīng)力超過(guò)齒輪材料的許用接觸應(yīng)力。提高齒輪加工精度。減少齒輪副的兩中心線(xiàn)不平行或？交叉偏差及加工時(shí)齒向誤差造成的精度誤差，有利于保證齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

    保證齒輪材料質(zhì)量。重載大齒輪多以鑄造毛坯加工而成，齒輪毛坯材料的局部缺陷及其熱處理不均勻造成的點(diǎn)蝕往？往比較平滑，所造成的點(diǎn)蝕往往發(fā)生在一小區(qū)域內(nèi)。這種情況往往造成齒輪局部強(qiáng)度不足，最終導(dǎo)？致齒輪折斷的現(xiàn)象發(fā)生。就需要更換齒輪。因此優(yōu)良的鑄造和熱處理工藝水平就尤為重要。

    安裝不良造成的齒面點(diǎn)蝕。齒輪的裝配及機(jī)體的安裝精度直接影響齒輪齒面的接觸面積，裝配時(shí)必須嚴(yán)格控制齒輪軸線(xiàn)與齒？輪的軸線(xiàn)平行度誤差，精確調(diào)整減速機(jī)體與減速機(jī)底座及電機(jī)等配合部件的聯(lián)接精度，減少軸向和？徑向跳動(dòng)，保證齒面的接觸精度。避免局部接觸應(yīng)力過(guò)大。可以有效減少齒輪點(diǎn)蝕疲勞現(xiàn)象。

    3使用期點(diǎn)蝕分析與預(yù)防

    初始點(diǎn)蝕。重載傳動(dòng)齒輪的初始點(diǎn)蝕現(xiàn)象也是屢見(jiàn)不鮮的，新齒輪嚙合初期，常因齒面偏離漸開(kāi)線(xiàn)曲面較大，在若干個(gè)微凸起處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，造成點(diǎn)蝕現(xiàn)象。點(diǎn)蝕區(qū)出現(xiàn)很淺的小麻點(diǎn)，一般較分散，有時(shí)伴隨有輕微的膠合磨損。當(dāng)齒面經(jīng)過(guò)一段時(shí)間跑合后，微凸起處逐漸變平，從而擴(kuò)大了接觸區(qū)，又由于磨損、碾壓等原因使其表面接觸趨于平滑，高峰接觸應(yīng)力隨之降低。因而促使點(diǎn)蝕停止發(fā)展。實(shí)踐表明，這種點(diǎn)蝕一般情況下不再發(fā)展，經(jīng)過(guò)一定階段的嚙合磨合后就點(diǎn)蝕就會(huì)消失，因此這類(lèi)點(diǎn)蝕一般不會(huì)造成損壞。

    破壞性點(diǎn)蝕。破壞性點(diǎn)蝕多數(shù)出現(xiàn)于節(jié)線(xiàn)以下的齒根區(qū)域。這是由于齒根處曲率半徑較小，齒面接觸應(yīng)力較高的緣故。震動(dòng)齒輪在嚙合過(guò)程中，從齒根處初始接觸點(diǎn)開(kāi)始，齒面曲率半徑逐漸增大，接觸應(yīng)力也隨之下降。通常重載傳動(dòng)的直齒輪，當(dāng)接觸點(diǎn)移至一定位置時(shí)，嚙合齒的數(shù)目由兩對(duì)牙齒變?yōu)橐粚?duì)。此時(shí)接觸應(yīng)力增至最大，當(dāng)接觸區(qū)域繼續(xù)向外移動(dòng)時(shí)，接觸應(yīng)力再次開(kāi)始下降，每當(dāng)輪齒過(guò)負(fù)荷時(shí)，金屬表面可能產(chǎn)生疲勞損壞。通常在主動(dòng)齒輪的齒根區(qū)域。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后可能出現(xiàn)破壞性點(diǎn)蝕，如果過(guò)負(fù)荷足夠大，短時(shí)間嚙合后就能產(chǎn)生這類(lèi)點(diǎn)蝕破壞。

    齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪相互接觸區(qū)承受相同的應(yīng)力，但在正常情況下。點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)于主動(dòng)齒輪的齒根部位，分析認(rèn)為這是主動(dòng)齒輪通常直徑較小，轉(zhuǎn)速較高，輪齒數(shù)目也較少。因而承受著較頻繁的重復(fù)應(yīng)力。此外主動(dòng)齒輪輪齒上滑動(dòng)方向與齒面問(wèn)的滾動(dòng)方向相反，因此金屬表面產(chǎn)生過(guò)度伸張。促使疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最后導(dǎo)致齒面產(chǎn)生點(diǎn)蝕破壞。破壞性點(diǎn)蝕通常呈小點(diǎn)狀金屬脫落形成凹坑，當(dāng)點(diǎn)蝕逐步擴(kuò)大或點(diǎn)蝕相互連接起來(lái)，可能造成較大面積破壞，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，傳動(dòng)噪音大。這種點(diǎn)蝕破壞發(fā)展到足夠程度時(shí)，可能導(dǎo)致輪齒斷裂，應(yīng)加以重視。軋機(jī)減速機(jī)做為軋機(jī)機(jī)組的重要設(shè)備，齒輪又是減速機(jī)的關(guān)鍵性部件，齒輪的損害可能影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)或其他機(jī)械部件損壞，影響生產(chǎn)運(yùn)行的嚴(yán)重后果，點(diǎn)蝕做為齒輪損壞的初始階段。如果能夠通徹分析其產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的措施。可以延長(zhǎng)齒輪使用壽命，減少生產(chǎn)設(shè)備事故的發(fā)生，促進(jìn)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

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