农业机械齿轮的失效判定与维护
赵岩铁
齿轮传动是农业机械最主要的传动方式。农业机械齿轮传动的功率较大，大型拖拉机、大型作业机械功率都在100 kW以上，经常处于低速、大负荷甚至超负荷状态工作，工作环境恶劣，加之使用保养不规范，因此齿轮传动故障是常见的。影响齿轮传动质量的因素很多，从构成结构上来看有齿轮箱、轴、轴承等零件，从精度上来看各零件的制造精度、装配精度，从设计上有选材、热处理等，从使用上涉及到齿轮的保养与润滑。
一、齿轮的失效形式与判定
齿轮失效是指齿轮传动过程中在外力作用下，齿轮传动的动力能力、传动精度的丧失，使齿轮不能可靠地工作的现象。农机齿轮的失效形式主要有断齿、磨损、裂纹、点蚀、剥落、胶合、塑性变形等。
1.齿轮折断
失效形式是齿轮的轮齿折断，轮齿折断有疲劳折断与冲击载荷作用下的折断。疲劳折断一般是由于轮齿的微裂纹在交变载荷作用下裂纹不断扩展所造成的，冲击折断是齿轮在严重过载、冲击或异物进入啮合下产生的。
对于较大的轮齿折断、裂纹的齿轮没有修复的价值，需要更换新的齿轮。对于折断量≤齿宽×1/4，有微波裂纹且不处于齿根部位的齿轮可以继续使用。
2.轮齿磨损
磨损是使齿轮的齿厚变薄，变薄的齿轮传递载荷的能力下降，齿侧间隙增大，齿轮在啮合过程中会产生冲击、振动且噪音增大。较小量的齿轮磨损可以正常使用，过大的磨损必需更换新的齿轮。
产生磨损的主要原因是在大负荷工况下长期地工作，产生的机械磨损；长期不更换润滑油，润滑油中的铁屑、硬质颗粒等造成的研磨磨损；没有使用规定型号的润滑油，使润滑、减磨性能下降等原因所造成。齿轮磨损使齿轮啮合产生冲击振动、噪音增大，诱发牙齿折断。
判断磨损失效的依据是齿厚减薄量与齿厚的比值，M=△S/mn，△S为实测齿厚的减薄量（可用齿轮卡尺、游标卡尺测量齿高中部的实际齿厚，△S为设计齿厚与实际齿厚的差），mn为齿轮的法向模数，对于拖拉机、农业机械的齿轮M≤40% ，M超过40%的齿轮就不能继续使用了。
3.齿面点蚀
齿轮啮合是齿轮上的牙齿依次工作，即齿面应力状态为循环交变的压应力、挤压应力所形成的复合应力。农业机械的齿轮常用中碳合金钢经过齿面高频淬火、低碳合金钢渗碳淬火处理，热处理使齿面产生一层硬化层，这一层又比较薄，一般不超过2 mm。这层薄面硬化金属层在交变负荷作用下极易产生微裂纹，微裂纹的不断扩展使齿面的硬金属层产生剥落。点蚀先出现在齿高中部，再向全齿面扩展，齿面点蚀使齿轮的承载能力、耐磨能力下降，过大点蚀的齿轮不能继续使用。
点蚀失效的判定标准是齿面点蚀面积与齿面面积比值≤55%，或其中20%点蚀坑的最大尺寸与模数值的比值≤20%。
4.齿面剥落
齿面剥落是指齿面上的材料成片剥离的一种轮齿损伤，齿面剥落后的坑比较浅、形状不规则，显现出浅平状态。齿面剥落主要的原则是齿轮在交变载荷作用下疲劳，或是热处理所造成的微裂纹扩展所产生的。齿面剥落使齿轮的承载能力、耐磨能力严重下降，如不及时更换会产生牙齿折断的故障。
齿面剥落失效的判定依据是齿面剥落面积与齿面面积比值≤55%，或其中20%剥落坑最大尺寸与模数的比值≤20%。
5.齿面胶合
胶合是相啮合齿面的金属，在一定压力下直接发生粘着，同时随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重的粘着磨损现象。农业机械齿轮都是低速重载运动工况，齿面是在临界摩擦状态，齿面啮合中不能够产生良好的润滑油膜。齿面在重压下金属产生熔化粘合，同时齿轮的相对运动使齿面金属撕落产生胶合。胶合使齿轮齿面接触面积减小，承载能力下降。
胶合失效判定标准是齿面胶合面积与工作齿面面积的比率≤30%，胶合的沟痕深度与齿轮模数的比率≤15%。
6.塑性变形
轮齿在啮合挤压应力的作用下，或由于坚硬异物进入啮合使齿面形状产生变形。齿面塑性变形就是使齿面偏离设计的曲面形状。塑性变形主要原因是轮齿表面硬度不够或长期超载。塑性变形使齿轮啮合精度下降，承载能力下降，产生振动与噪音。
塑性变形失效的标准是齿轮表面产生的塑性变形量（齿面所形成的峰高或谷深值）≤20%×齿轮模数。
二、齿轮传动的正确保养与装配
齿轮传动要按农业机械保养要求进行保养，定期更换符合质量标准的润滑油。发动机、变速箱、后桥等各部位所用的润滑油型号、更换间隔等都是不同的，不符合保养要求的润滑油会使齿轮啮合的减磨、降温等效果严重下降。陈旧润滑油最好是在热车的状态下放出，使齿轮箱中的沉淀物、铁屑、硬质颗粒等随之放出，减少对齿轮的磨损、刮伤。
在使用农业机械时要避免过载，保证齿轮传动系统的封闭性，以免灰尘、硬物质进入齿轮箱。
更换齿轮时要购买原厂的配件，原厂配件是按制造农业机械整车用零件的材料、工艺标准生产制造的，与所要更换的零件质量完全一致。非原厂的配件其制造工艺、生产质量标准、材料选用与设计要求可能会不一致，齿轮就达不到原厂零件的质量，用非原厂配件可能就会在使用中引发故障。在选择齿轮时特别要注意轮齿的表面粗糙度，研究表明对于处在边界润滑状态的低速重载齿轮表面粗糙度对表面磨损影响较大，初始表面粗糙度高的磨损率高, 初始表面粗糙度低的磨损率低，因此要选择表面粗糙度值小的（表面光滑的齿面）的齿轮。
齿轮装配质量不高对齿轮传动质量会造成较大的影响。齿轮装配质量主要影响齿轮的接触质量，接触质量是齿轮点蚀、剥落、折断、胶合、磨损等失效的主要原因。齿轮及轴系零件在安装时，要保证齿轮孔与轴、齿轮端面与轴肩接触良好，齿轮轴与轴承、轴承与箱体孔配合处于过渡配合和小间隙配合，不能有较大配合间隙，要保证齿轮分度圆与轴承回转轴线的同轴度。两啮合齿轮轴线的平行度要高，特别要保证两轴线在垂直于两轴线形成的平面内的平行度误差，这个误差对齿轮的啮合质量影响更大。要保证两啮合齿轮在齿宽上的啮合长度，对于锥齿轮特别要注意调节小锥齿轮的轴向位置，使两锥齿轮在啮合时有正确的啮合位置和啮合印痕。
新齿轮装配后在投入使用前，应进行充分的跑合，即进行磨合，严禁不经过磨合就进行生产使用。新齿轮在经过加工后齿面都存在着凸凹不平，即存在着表面粗糙度，表面粗糙度使齿面的接触表面质量下降，经过试运行的跑合能有效地降低表面粗糙度对接触质量的影响，通过跑合的齿轮能有效地改善齿轮表面的接触质量，即能有效地提高承载能力、提高耐磨性能。因此，农业机械维修后都要按试运行操作规程认真磨合，严禁更换新齿轮后立即投入作业，并在试运转后要放掉润滑油。
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齿轮传动是农业机械最主要的传动方式。农业机械齿轮传动的功率较大，大型拖拉机、大型作业机械功率都在100 kW以上，经常处于低速、大负荷甚至超负荷状态工作，工作环境恶劣，加之使用保养不规范，因此齿轮传动故障是常见的。影响齿轮传动质量的因素很多，从构成结构上来看有齿轮箱、轴、轴承等零件，从精度上来看各零件的制造精度、装配精度，从设计上有选材、热处理等，从使用上涉及到齿轮的保养与润滑。
一、齿轮的失效形式与判定
齿轮失效是指齿轮传动过程中在外力作用下，齿轮传动的动力能力、传动精度的丧失，使齿轮不能可靠地工作的现象。农机齿轮的失效形式主要有断齿、磨损、裂纹、点蚀、剥落、胶合、塑性变形等。
1.齿轮折断
失效形式是齿轮的轮齿折断，轮齿折断有疲劳折断与冲击载荷作用下的折断。疲劳折断一般是由于轮齿的微裂纹在交变载荷作用下裂纹不断扩展所造成的，冲击折断是齿轮在严重过载、冲击或异物进入啮合下产生的。
对于较大的轮齿折断、裂纹的齿轮没有修复的价值，需要更换新的齿轮。对于折断量≤齿宽×1/4，有微波裂纹且不处于齿根部位的齿轮可以继续使用。
2.轮齿磨损
磨损是使齿轮的齿厚变薄，变薄的齿轮传递载荷的能力下降，齿侧间隙增大，齿轮在啮合过程中会产生冲击、振动且噪音增大。较小量的齿轮磨损可以正常使用，过大的磨损必需更换新的齿轮。
产生磨损的主要原因是在大负荷工况下长期地工作，产生的机械磨损；长期不更换润滑油，润滑油中的铁屑、硬质颗粒等造成的研磨磨损；没有使用规定型号的润滑油，使润滑、减磨性能下降等原因所造成。齿轮磨损使齿轮啮合产生冲击振动、噪音增大，诱发牙齿折断。
判断磨损失效的依据是齿厚减薄量与齿厚的比值，M=△S/mn，△S为实测齿厚的减薄量（可用齿轮卡尺、游标卡尺测量齿高中部的实际齿厚，△S为设计齿厚与实际齿厚的差），mn为齿轮的法向模数，对于拖拉机、农业机械的齿轮M≤40% ，M超过40%的齿轮就不能继续使用了。
3.齿面点蚀
齿轮啮合是齿轮上的牙齿依次工作，即齿面应力状态为循环交变的压应力、挤压应力所形成的复合应力。农业机械的齿轮常用中碳合金钢经过齿面高频淬火、低碳合金钢渗碳淬火处理，热处理使齿面产生一层硬化层，这一层又比较薄，一般不超过2 mm。这层薄面硬化金属层在交变负荷作用下极易产生微裂纹，微裂纹的不断扩展使齿面的硬金属层产生剥落。点蚀先出现在齿高中部，再向全齿面扩展，齿面点蚀使齿轮的承载能力、耐磨能力下降，过大点蚀的齿轮不能继续使用。
点蚀失效的判定标准是齿面点蚀面积与齿面面积比值≤55%，或其中20%点蚀坑的最大尺寸与模数值的比值≤20%。
4.齿面剥落
齿面剥落是指齿面上的材料成片剥离的一种轮齿损伤，齿面剥落后的坑比较浅、形状不规则，显现出浅平状态。齿面剥落主要的原则是齿轮在交变载荷作用下疲劳，或是热处理所造成的微裂纹扩展所产生的。齿面剥落使齿轮的承载能力、耐磨能力严重下降，如不及时更换会产生牙齿折断的故障。
齿面剥落失效的判定依据是齿面剥落面积与齿面面积比值≤55%，或其中20%剥落坑最大尺寸与模数的比值≤20%。
5.齿面胶合
胶合是相啮合齿面的金属，在一定压力下直接发生粘着，同时随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重的粘着磨损现象。农业机械齿轮都是低速重载运动工况，齿面是在临界摩擦状态，齿面啮合中不能够产生良好的润滑油膜。齿面在重压下金属产生熔化粘合，同时齿轮的相对运动使齿面金属撕落产生胶合。胶合使齿轮齿面接触面积减小，承载能力下降。
胶合失效判定标准是齿面胶合面积与工作齿面面积的比率≤30%，胶合的沟痕深度与齿轮模数的比率≤15%。
6.塑性变形
轮齿在啮合挤压应力的作用下，或由于坚硬异物进入啮合使齿面形状产生变形。齿面塑性变形就是使齿面偏离设计的曲面形状。塑性变形主要原因是轮齿表面硬度不够或长期超载。塑性变形使齿轮啮合精度下降，承载能力下降，产生振动与噪音。
塑性变形失效的标准是齿轮表面产生的塑性变形量（齿面所形成的峰高或谷深值）≤20%×齿轮模数。
二、齿轮传动的正确保养与装配
齿轮传动要按农业机械保养要求进行保养，定期更换符合质量标准的润滑油。发动机、变速箱、后桥等各部位所用的润滑油型号、更换间隔等都是不同的，不符合保养要求的润滑油会使齿轮啮合的减磨、降温等效果严重下降。陈旧润滑油最好是在热车的状态下放出，使齿轮箱中的沉淀物、铁屑、硬质颗粒等随之放出，减少对齿轮的磨损、刮伤。
在使用农业机械时要避免过载，保证齿轮传动系统的封闭性，以免灰尘、硬物质进入齿轮箱。
更换齿轮时要购买原厂的配件，原厂配件是按制造农业机械整车用零件的材料、工艺标准生产制造的，与所要更换的零件质量完全一致。非原厂的配件其制造工艺、生产质量标准、材料选用与设计要求可能会不一致，齿轮就达不到原厂零件的质量，用非原厂配件可能就会在使用中引发故障。在选择齿轮时特别要注意轮齿的表面粗糙度，研究表明对于处在边界润滑状态的低速重载齿轮表面粗糙度对表面磨损影响较大，初始表面粗糙度高的磨损率高, 初始表面粗糙度低的磨损率低，因此要选择表面粗糙度值小的（表面光滑的齿面）的齿轮。
齿轮装配质量不高对齿轮传动质量会造成较大的影响。齿轮装配质量主要影响齿轮的接触质量，接触质量是齿轮点蚀、剥落、折断、胶合、磨损等失效的主要原因。齿轮及轴系零件在安装时，要保证齿轮孔与轴、齿轮端面与轴肩接触良好，齿轮轴与轴承、轴承与箱体孔配合处于过渡配合和小间隙配合，不能有较大配合间隙，要保证齿轮分度圆与轴承回转轴线的同轴度。两啮合齿轮轴线的平行度要高，特别要保证两轴线在垂直于两轴线形成的平面内的平行度误差，这个误差对齿轮的啮合质量影响更大。要保证两啮合齿轮在齿宽上的啮合长度，对于锥齿轮特别要注意调节小锥齿轮的轴向位置，使两锥齿轮在啮合时有正确的啮合位置和啮合印痕。
新齿轮装配后在投入使用前，应进行充分的跑合，即进行磨合，严禁不经过磨合就进行生产使用。新齿轮在经过加工后齿面都存在着凸凹不平，即存在着表面粗糙度，表面粗糙度使齿面的接触表面质量下降，经过试运行的跑合能有效地降低表面粗糙度对接触质量的影响，通过跑合的齿轮能有效地改善齿轮表面的接触质量，即能有效地提高承载能力、提高耐磨性能。因此，农业机械维修后都要按试运行操作规程认真磨合，严禁更换新齿轮后立即投入作业，并在试运转后要放掉润滑油。
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