Viden

Fejl i geargruber

 

I. Mekanisme for gearpittingsfejl

1.1 Definition og fænomen af ​​grubetæring

Grubetæring refererer til små og overfladiske huller, der opstår i kontaktområdet mellem tandhjulets tænder. Disse huller dannes normalt på grund af lokal materialeafskalning. I begyndelsen af ​​grubetæringen er de generelt små pletter. Med tiden og den kontinuerlige belastning udvider disse pletter sig gradvist, uddybes og forbindes med hinanden, hvilket danner større områder med afskalning, hvilket alvorligt påvirker tandhjulets ydeevne.

 

1.2 Det mekaniske princip for grubedannelse

Når et par tandhjul går i indgreb med hinanden, udsættes tandoverfladerne for skiftende kontaktspændinger. Under gentagen påvirkning af kontaktspændinger vil tandoverfladematerialet lide af udmattelsesskader. Ifølge Hertz-kontaktteorien vil der opstå meget høje lokale spændinger ved tandoverfladernes kontaktpunkter, især i området tæt på stigningslinjen, hvor den relative glidehastighed er relativt lille, oliefilmen er vanskelig at danne, smøreforholdene er dårlige, og kontaktspændingen er mere koncentreret. Når kontaktspændingen overstiger materialets udmattelsesgrænse, vil der opstå små revner på tandoverfladen. Efterhånden som tandhjulene fortsætter med at rotere, vil revnerne gradvist udvide sig under påvirkning af skiftende spændinger, hvilket i sidste ende fører til afskalning af tandoverfladematerialet og dannelse af grubetæring.

1.3 Udviklingsprocessen for grubetæring

Udviklingen af ​​grubetæring kan generelt opdeles i tre faser. Den første fase er den indledende grubetæringsfase, hvor små huller opstår på tandoverfladen. Disse er normalt forårsaget af mikroskopiske defekter eller bearbejdningsmærker på materialeoverfladen, der først udvikler revner under påvirkning af kontaktspænding. Disse huller er generelt små og relativt spredte og har en mindre indflydelse på gearets ydeevne. Den anden fase er ekspansionsfasen. Efterhånden som gearet fortsætter med at fungere, udvides og uddybes de indledende grubetæringer gradvist, og tilstødende huller forbindes med hinanden og danner større afskalningsområder. På dette tidspunkt øges gearets vibrationer og støj betydeligt, og transmissionseffektiviteten falder også. Den tredje fase er den alvorlige grubetæringsfase. På dette tidspunkt udvides grubetæringsområderne på tandoverfladen yderligere, afskalningsfænomenet bliver mere alvorligt, tandens overfladeruhed øges betydeligt, gearets bæreevne falder kraftigt, og det kan endda føre til fuldstændigt gearsvigt.

 

II. Faktorer, der påvirker gearfejl

2.1 Væsentlige faktorer

Materialesammensætning: Stål med forskellige sammensætninger har forskellige mekaniske egenskaber og modstandsdygtighed over for grubetæring. For eksempel har legeret stål, der indeholder passende mængder legeringselementer såsom krom, nikkel og molybdæn, højere styrke, hårdhed og sejhed og har dermed en relativt stærkere modstandsdygtighed over for grubetæring. I modsætning hertil har almindeligt kulstofstål en relativt svagere modstandsdygtighed over for grubetæring.

 

Materialemikrostruktur: Materialernes mikrostruktur har også en betydelig indflydelse på deres modstandsdygtighed over for grubetæring. For eksempel har tandhjul, der har gennemgået korrekt varmebehandling, ensartede mikrostrukturer med fine korn, hvilket kan forbedre materialets styrke og sejhed og derved forbedre dets modstandsdygtighed over for grubetæring. Omvendt, hvis materialets mikrostruktur ikke er ensartet med store korn eller andre defekter, er det sandsynligt, at der dannes spændingskoncentrationer på tandoverfladen, hvilket reducerer modstandsdygtigheden over for grubetæring.

 

Materialehårdhed: Generelt set, jo højere hårdheden af ​​tandoverfladen er, desto stærkere er modstandsdygtigheden over for grubetæring. Forøgelse af tandoverfladen hårdhed gennem overfladehærdning, karburering, nitrering og andre varmebehandlingsprocesser kan effektivt reducere sandsynligheden for grubetæring. Hårdheden bør dog ikke være for høj, da for høj hårdhed kan gøre materialet sprødt og tilbøjeligt til revner.

 

2.2 Belastningsfaktorer

Belastningsstørrelse: Jo større belastning et tandhjul bærer, desto højere vil kontaktspændingen på tandoverfladen være, og sandsynligheden og udviklingshastigheden for grubetæring vil øges tilsvarende. Når belastningen overstiger materialets udmattelsesgrænse, vil grubetæring udvikle sig hurtigt, hvilket alvorligt påvirker tandhjulets levetid.

Belastningsegenskaber: Hvis gearet udsættes for stødbelastning eller vekslende belastning, bliver spændingsvariationen på tandoverfladen mere kompleks, hvilket gør det mere sandsynligt, at det forårsager udmattelsesskader på materialet og fremskynder forekomsten af ​​grubetæring. For eksempel oplever gear i nogle entreprenørmaskiner ofte pludselige stødbelastninger, hvilket stiller højere krav til gearets modstandsdygtighed over for grubetæring.

 

2.3 Smørefaktorer 

Smøreoliens viskositet: Smøreoliens viskositet har en betydelig indflydelse på smøreeffekten på tandoverfladen. Smøreolie med en højere viskositet kan danne en tykkere oliefilm på tandoverfladen, hvilket giver bedre smøring og buffereffekter, reducerer kontaktspændingen på tandoverfladen og mindsker forekomsten af ​​grubetæring. Imidlertid vil en for høj viskositet øge gearets rotationsmodstand og sænke transmissionseffektiviteten. Derfor er det nødvendigt at vælge smøreolie med en passende viskositet baseret på gearets driftsforhold.

 

Smøreoliens kvalitet: Smøreolie af høj kvalitet har gode slid-, antioxidations- og antikorrosionsegenskaber, hvilket effektivt beskytter tandoverfladen og forlænger gearets levetid. Tværtimod er smøreolie af lav kvalitet tilbøjelig til oxidation og forringelse, hvilket genererer sure stoffer og urenheder, som kan korrodere tandoverfladen og fremskynde udviklingen af ​​grubetæring.

 

Smøremetoder: Forskellige smøremetoder har også forskellige effekter på smøringen af ​​gear. Almindelige smøremetoder omfatter olieimmersivsmøring og oliespraysmøring. Olieimmersivsmøring er velegnet til gearkasser med lav hastighed og let belastning; oliespraysmøring er velegnet til gearkasser med høj hastighed og tung belastning, da det hurtigt kan fjerne varme- og slidpartikler, der genereres på tandoverfladen, og dermed opretholde gode smøreforhold.

 

2.4 Forarbejdnings- og installationsfaktorer

Bearbejdningsnøjagtighed: Tandhjulenes bearbejdningsnøjagtighed har en betydelig indflydelse på tandoverfladernes kontaktkvalitet. Hvis bearbejdningsnøjagtighedsindikatorerne, såsom tandprofilfejl og tandjusteringsfejl, ikke opfylder kravene, vil det føre til ujævn kontakt på tandoverfladerne, lokal spændingskoncentration og dermed øge sandsynligheden for grubetæring. For eksempel vil for stor tandprofilfejl forårsage interferens mellem tandoverfladerne under indgreb, hvilket resulterer i for høj lokal kontaktspænding.

Installationsfejl: Hvis der under installationen af ​​tandhjul opstår installationsfejl, såsom ikke-parallelle aksellinjer og afvigelser i centerafstanden, vil det også føre til dårlig kontakt på tandfladerne, ujævn kraftfordeling på tandfladerne og fremskynde udviklingen af ​​grubetæring. For eksempel vil ikke-parallelle aksellinjer forårsage excentrisk belastning under tandhjulsindgreb, hvilket resulterer i overdreven belastning på lokale tandflader.

 

III. Metoder til detektion af gearfejl

3.1 Visuel inspektion

Visuel inspektion er en simpel og intuitiv detektionsmetode. Ved direkte at observere tandoverfladen på tandhjulet er det muligt at bestemme, om der er grubetæring, og hvordan grubetæringen er fordelt. Generelt kan værktøjer som forstørrelsesglas bruges til at observere små grubetæringer. Visuel inspektion kan i første omgang bestemme graden af ​​grubetæring på tandhjulet, men den kan muligvis ikke nøjagtigt detektere tidlige revner og små grubetæringer skjult inde i tandoverfladen.

 

3.2 Hårdhedstestning

Hårdhedstest kan afspejle ændringerne i hårdheden i tandoverfladematerialet. Hvis der opstår grubetæring på tandoverfladen, kan dens hårdhed ændre sig. Ved at udføre hårdhedstest på forskellige dele af tandoverfladen og sammenligne dem med de oprindelige hårdhedsværdier kan det bestemmes, om grubetæring har påvirket tandoverfladematerialets ydeevne. Almindelige hårdhedstestmetoder omfatter Rockwell-hårdhedstest og Brinell-hårdhedstest.

 

3.3 Ikke-destruktiv prøvning

Ultralydstest: Ultralydstest kan detektere, om der er revner og andre defekter inde i tandoverfladen. Når ultralydbølger udbreder sig i materialer, og de støder på revner og andre defekter, vil der blive genereret reflekterede bølger. Ved at analysere de reflekterede bølgers egenskaber kan defekternes placering, størrelse og form bestemmes. Ultralydstest har fordelene ved stor detektionsdybde og høj følsomhed, men det er muligvis ikke effektivt til at detektere visse små overfladerevner.

 

Magnetisk partikeltestning: Magnetisk partikeltestning er egnet til at detektere overflade- og overfladenære revner i ferromagnetiske materialer. Et magnetfelt påføres tandoverfladen, og magnetiske partikler spredes på den. Hvis der er revner på tandoverfladen, vil de magnetiske partikler samles ved revnen og danne tydelige magnetiske spor, som visuelt kan vise placeringen og formen af ​​revnerne. Magnetisk partikeltestning er enkel at betjene og har en hurtig detektionshastighed, men den kan kun bruges til ferromagnetiske materialer og har begrænset detektionskapacitet for åbne revner, der ikke er på overfladen.

 

3.4 Vibrations- og støjovervågning

Under processen med grubetæring i tandhjul vil deres vibrationer og støj ændre sig betydeligt. Ved at installere vibrationssensorer og støjsensorer til at overvåge vibrations- og støjsignalerne fra tandhjul i realtid og analysere og behandle signalerne, er det muligt at bestemme, om tandhjulene har grubetæring, og omfanget af grubetæring. For eksempel, når der opstår grubetæring på tandoverfladen, vil specifikke frekvenskomponenter forekomme i vibrationssignalspektret, og støjniveauet vil også stige betydeligt.