齿轮轮齿失效的复型追踪法

D01I:10.13374/i.issn1001053x.1981.04.015 齿轮轮齿失效的复型追踪法 北京钢铁学院廉以智 北京机电研究院范婉平÷ 摘 要 4 用塑料薄膜可对齿面失效进行复型，它可真实的反映出齿面的情况，而已复型 的薄膜又能在显微镜下观察摄影，并可长期保存。从而基本上解决了齿轮在运转过 程中齿面情况定时摄影的难题。 本文着重介绍塑料复型原理、塑料薄膜的制做方法和齿面复型方法。为说明这 种复型方法的精确性，并附有轮齿失效追踪的实例。 一、前 言 由于机械工业的发展，对齿轮的强度有了更高的要求，因此对轮齿的失效过程要求更深 入一步的进行探讨。如何准确、方便的记录下一对齿轮工作过程中的失效情况，已成为齿轮 工作者的当务之急。 :,以前齿轮工作者多用肉眼观测轮齿表面的失效过程，此法虽然简便，但看不见徽小裂 纹，记录也不统一。压铅法或直接塑造法因全用固体板复型，所以对微小裂纹无法复制。用 截光涂料法虽然复型较准确，但局限性大。此外，用显微镜直接观察法，也只能用于实验终 了而无法进行齿面失效的追踪。总之，以往用的这些方法都不能对轮齿失效过程中出现的 微小裂纹进行复制，也就无法更深入地进行轮齿失效的研究。 :为了解决轮齿失效的追踪问题，我们试用了塑料复型方法，它能在现场对被观察的齿面 进行复制。由于是液体复型，液体可以渗透到每个微小裂缝中，所以复型薄膜能如实地反映 齿面的现状。复型薄膜还可以在显微镜下出进行摄影，因此较完善的解决了轮齿失效追踪的 问题，它给我们进一步研究轮齿失效过程提供了可靠的证据。 二、复型技术 1.物料复型原理 ··呈白邑纤维状的醋酸轩维素（又名二醋酸），它有溶于丙酮的性质。与丙酮溶解后，成 为无色透明胶状的溶液，若将溶液倒在玻璃板上，使丙酮挥发，就成了无色透明的塑料薄膜 (简称AC纸)。由于塑料薄膜仍是醋酸纤维素，所以此时若在齿面滴上少许丙酮，将薄 膜贴在丙酮上，则薄膜又可形成溶液，此溶液渗透到小点蚀坑和微裂纹中，待丙酮再次挥 “参加本研究棵题的还有朱孝录、易秉钺、沈水福、崔兴山、黄其华、房费如等同志。 148

齿轮轮齿失效的复型追踪法 北 京 钢 铁 学 院 族以钾 北 京机 电研 究院 范婉平 、 卜 摘 要 · 一 用 塑料薄膜寸 对齿面失 效 进行 复型 ， 它可 真实 的凤映 出齿 面 的情况 ， 而 已 复型 钓 薄膜又 能在显微镜 下观察摄 影 ， 并可 长期保存 。 从 而基 本 上解决 了齿 轮在运 转过 程 中齿 面情况 定 时摄 影的 难题 。 本 文着重 介 绍 塑料 复型 原 理 、 塑料 薄膜 的 制做方 法和 齿 面 复型 方法 。 为说 明这 种复型方法钓 精确性 ， 并附 有轮 齿失效 追 踪的实例 。 「 一 、 前 二一门呻 口 口 由于机械工业的发展 ， 对齿轮 的 强度有了更 高的要求 ， 因此 对 轮齿 的失效过程要求更 深 入 一 步的进 行探讨 。 如何准确 、 方便 的记 录 下一对齿轮工 作过程 中的失效情况 ， 已成为齿轮 工作者的 当务之急 。 一 以前齿轮工作者 多用 肉 眼 观 测轮齿表面的 失效过程 ， 此法 虽然简便 ， 但看不 见微小裂 纹 ， 记 录 也不 统一 。 压铅法或 直 接塑造法 因全用 固体板复型 ， 所 以对微小裂纹无法 复制 。 用 萤光涂料法 虽然 复型 较准确 ， 但局限性大 。 此 外 ， 用 显微 镜直接观察 法 ， 也只 能用 于 实验 终 了， ’、 而无 法进 行齿面 失效 的追踪 。 总之 ， 以往 用 的这些方 法都不 能对轮齿失效过程 中出现的 微小裂 纹进 行 复制 ， 也就无法更 深入地 进行 轮齿失效 的研究 。 汀 ‘ 为了解决轮齿失效 的追踪问题 ， 我们 试用 了塑 料复型 方 法 ， 它能在 现场 对被观察的 齿面 进 行沈制 。 由子是液体 复型 ， 液 体可 以渗透 到每个微小裂缝 中 ， 所 以 复型薄 膜能如实地反映 齿面 的现状 。 复型 薄膜还可 以 在显微 镜下 出进 行摄影 ， 因此 较完 善的 解决 了轮齿失效追踪 的 问 题 ， 它给我们进一步研究轮齿失效过程提供 了可靠的证据 。 二 、 复型技术 盆料 盆型康 理 ’ 量 白邑纤维状 的醋酸杆维 素 又 名二醋酸 ， 它有溶于丙酮 的 性质 。 与丙 酮 溶 解后 ， 成 为无 色透 明胶状 的溶液 ， 若 将溶液倒在 玻璃 板上 ， 使 丙酮挥 发 ， 就 成 了无 色透 明的 塑料薄膜 简称 人 纸 。 由于 塑 料薄 膜仍是 醋 酸纤维素 ， 所 以 此时若 在齿面 滴 上少 许 丙酮 ， 将薄 膜贴在 丙酮 上 ， 则薄膜 又可 形成溶液 ， 此溶 液渗透到 小点 蚀 坑和微裂 纹 中 ， 待 丙酮再 次挥 份 参加 本研 究裸题 的还 有朱孝录 、 易秉 俄 、 沈水 福 、 崔兴 山 、 黄其华 、 房贵如等同志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．04．015

发后，就成为透明的复型薄膜。 塑料复型的精确度与醋酸纤维素溶液的颗粒大小有关，一般可达到50埃左右。 图1为对比照像。图1(a)是轮齿实物在节线下的一个小点蚀坑的照片。图1(b)是这 个小点蚀坑复型后的照片。()图较深的地方正好是(b)图较浅的地方，也是实物点蚀坑 较浅的地方。由这两个图的对比，可看到复型技术的准确性。 (a)实物125×（再放大6倍） (b)复型薄膜125×（再放大6倍） 图1 2,塑料薄膜的制做方法 将重量比为7%的醋酸纤维素与丙酮溶液混合，把瓶口密封，放在阴暗处7~8天，当 二者充分溶解后，即形成醋酸新维素溶液。将此溶液分批倾倒在用酒精清洗干净的玻璃板 上，使溶液均布后，放在干燥箱中（或放在干燥器皿中），待丙酮挥发后形成塑料薄膜，即 可用机械方法将薄膜剥离。薄膜厚度一毅在25微米至40微米之间较合适。 薄膜制做是否能成功，取决于当地的气温和相对显度。一般在晴朗的冬季，室内温度在 华氏40一50°下左右，相对湿度在60~90%左右，夏季温度在70~80°F之间，相对显度在70 心30%左右的晴天都可做成功。只是由于冬季温度较低，丙酮挥发时间慢，因此须用24~26 小时，才可制做成一张。而在夏季，因温度较高，只须2~3小时即可制成。但在闷热的夏 季或阴雨天，由于相对湿度大，为醋酸纤维素溶液吸显性创造了条件，此时因制做过程中受 潮，而变成脆性白色的薄膜，无法使用，所以应尽量避免在这种天气制做。 3.塑料薄膜的复型方法 被复型的轮齿用酒精将油污清洗干净后，用点滴管把适量的丙酮滴在齿面上，再把剪成 适当大小的塑料薄膜贴在有丙酮的齿面上，使丙酮与靠近齿面一边的薄膜全部溶解，过2~3 分钟，待丙酮全部挥发，又形成薄膜时，就可用镊子将薄膜由边上轻轻剥离。然后，把复型 薄膜固定在载物片上，即可在显微镜下观察并摄影。 复型质量的优劣与丙酮点滴量的多少有很大关系，点滴量以薄膜复盖在齿面后，丙酮正 好布满薄膜表面为宜。此外，在复型时，要注意齿面温度不要高于30℃，否则将产生许多气 泡，使复型失真。如图4（©）就是在较高温度时复制的，因产生气泡，虽大体可看出是继图 4(b)后的同一个小点蚀坑的追踪复型，但产生气泡的地方已反映不出实际情况了。 149

三、复型应用实例 1.原始复型 图2是铁素体球铁齿轮经插齿刀加工，表面光洁为76的原始复型。图中的黑白条纹是 刀痕，黑斑是石是球在加工时掉下后所留的坑。 图3是17MoV齿轮经MAAG静齿机磨齿，轮齿表面光洁度为V7的原始复型。由图中 可清楚的看到磨齿后的交叉痕迹 图2铁素体球铁齿轮的原始复型 图317MoV齿轮的原始复型 125×(再放大6倍) 125×(再放大6倍) 2,轮齿表面点蚀失效的追踪 图4是经饮氮化处理的铁素体球铁齿轮的一个小点蚀坑的追踪照片。由这组照片中箭头 所指的部分，可清楚的看到这种材料点蚀发展的过程。 图4()中箭头1及箭头2处已有微裂纹产生。图4(b)中箭头1处裂纹已扩展，在箭头 3处已明显的形成了局部的封闭裂纹。图4（©）箭头3处已沿着封闭裂纹线剥落下来，形成 新的点蚀坑，而在箭头2处已形成了封闭的裂纹。图4(d)因齿面温度高于39℃，在箭头3 和4处形成气泡，复型失真，而在前头2处还可看到又沿着封闭裂纹线剥落下来形成点的 蚀坑。 T=60公斤力·米 T=73公斤力·米 (a)N=0.5364×106 (b)N=1.6092×10 150

(c)T=73公斤力·米 (d)T=73公斤力·米 N=1.6986×10s N=1.8774×10° 以上均为125×（再放大6倍） 图4 图5轮齿根部裂纹局部放大125× 由这组照片中可看到这种材料的齿轮点蚀发展的过程。先开始出现裂纹，随着载荷的增 大和循环次数的增加，裂纹不断扩展，形成封闭形裂纹，待与内部裂纹连成一体后，就开始 剥落。 8.轮齿弯断的预报 图5是贝氏体球铁齿轮弯断失效的复型。在轮齿根部产生的微裂纹，肉眼是看不见的， 低复型后在显微镜下确观察得一清二楚。 ·综上所述，塑料复型方法，对观察肉眼看不见的微裂纹和齿面微小变化是非常有效的。 它可拟胡于各种材质齿轮的失效追踪，其复型不仅反映精确而且可长期保存，还可以将复型 薄膜族森投影仪上放大，用求积仪进行点蚀面积的计算，作为点蚀发展过程的判据，由于复 型方法衢易可行，可以在轮齿处于各种空间位置时操作，因此在现场复型很方便，为重要的 齿轮传动进行失效预报提供了手段。所以塑料复型法是齿轮工作者研究轮齿失效问题和现场 监寨齿轮安全运转的有效办法。 151

亡 ， 价产 · ‘少 满 劝岭之‘ 产厂 、 子 未 卜 、 公 斤 力 米 二 公 斤 力 · 米 以上 均为 沐 再放 大 倍 图 ， 一 ‘ ’ 与 、 一 图 轮齿根部裂纹局 部放 大 ‘ ’ 肉这组照片 中可 看 到这 种材料 的齿轮点蚀发展 的过程 。 先开始出现裂 纹 ， 随着 载荷 的增 大和循环次数的增加 ， 裂 纹不 断扩展 ， 形成封 闭形裂 纹 ， 待 与 内部裂 纹连成一 体后 ， 就开始 剥落 。 轮曲布断的预 报 子， 分韧 卜 价 图 是 贝 氏体球铁齿轮弯断失效 的 复型 。 在轮齿根 部产生 的微裂纹 ， 肉眼是看 不 见的 ， 瘫 型后 在显微镜下确观 察得一 清二楚 。 ‘ 拳上所述 ， 塑 料复型 方 法 ， 对 观察 肉眼 看 不 见 的微裂 纹和齿面 微 小 变化是 非常有效的 · 它可嘟粕于 各种 材质 齿轮的失效追踪 ， 其 复型不仅反 映精确而且可 长期保存， 还可 以将泛型 薄膜雄咯姆影仪上放大 ， 用 求积仪进 行点 蚀面 积 的计算 ， 作为点蚀发展 过程 的判据， 由于复 型方法商翅阿行 ， 可 以 在轮齿处于 各种 空 间位 置时操作 ， 因此 在现场复型 很 方便 ， 为重要的 齿轮传动剐污失效预报提供 了手段 。 所 以 塑料复型 法是 齿轮工 作者研究 轮齿失效 问题和现场 监察齿轮安全运转的 有效 办法 。 吸叭日，卜

本研究课题得到癱秀兰、李佳珍同志的热情帮助，在此表示感谢。 参考文献 〔1)东升（日）著董烔明译电子显微镜的世界科学出版社1973年2月 〔2〕机械工程手册、电机工程手册编辑委员会机械工程手册第12~17篇 机械工业出 版社1978年3月 〔3)范垂本编齿轮的强度和试验机械工业出版社1979年10月 〔4)王曙编偏光显微镜和显微摄影地质出版社1978年12月 〔5)球铁齿轮研究小组铁素体球铁齿轮抗点蚀能力的研究北京钢铁学院科技资料室 印1979年11月 对齿轮外部附加动载荷的分析和探讨 机械设计教研室傅德明 (一) 齿轮传动的工作状况，对齿轮轮齿所受实际载荷的大小影响很大。 原动机的输出转炬名义值虽然相同，作用在齿轮上的实际载荷却随原动机的特性而异。 如电动机，蒸汽轮机或燃气轮机运转比较平稳，而内燃机由于存在四个不同的冲程，其输出波 动很大，缸数越少越严重。输出转矩的波动程度，除输出功率外，还决定于其输出转数的波 动程度。如果机器的名义角速度以o表示，其运转不均匀程度用最大和最小角速度的差（⊙m。￥ -①min)表示，则其运转不均匀的严重程度可用不均匀系数8表示，8=（①ma*-⊙min)/0n。 常用原动机的不均匀系数δ如表1所示。不论是输 表1常用原动机的不均匀系数 出功率还是输出转速的波动，都会使齿轮所受的载 荷的最大值随之发生变化。 原动机 不均匀系数8 工作机工作阻力矩的变化，更是严重的影响齿 一般动力 1 1 轮所受最大载荷的大小。这种变化，可以是工作阻 内燃机 25~100 力的变动所引起，也可是工作机的转速不均匀所引 起。对于某些工作机上的原动机来说，工作阻力的 汽轮机 <20 变化，会引起原动机转速的波动，从而影响齿轮实 1 际载荷的大小。但是某些工作机器，即使原动机转 直流电机 100~200 速稳定，它本身的运转速度也是不均匀的。如各种 泵，各类空气压缩机，破碎机，冲床等都是这样 交流电机 11 200~300 (见表2)。因此我们可以把工作机上外载荷的变化 152

本研究 课题得到鹿 秀兰 、 李佳珍同 志 的热情帮助 ， 在此 表示感谢 。 参 考 文 献 〔 〕 东升 旧 〕著 董 炯 明译电子显微镜的世界 科学出版社 年 月 〔 〕 机械工 程手册 、 电机工 程手册编 辑委员会 机械工 程手册 第 篇 机械工 业 出 版社 百 年 月 〔 〕 范垂 本编 齿轮 的强度和 试验 机械工业 出版社 年 月 〔 〕 王 曙编 偏 光 显微 镜和 显微 摄影 地质 出版社 年 月 〔 〕 球 铁齿轮研究 小组 铁 素体球铁齿轮抗点 蚀能 力的研究 北京钢 铁学 院科技 资料室 印 年 月 对齿轮外部附加动载荷的分析和探讨 机械设 计教研 室 傅德明 一 齿轮传动的 工作状 况 ， 对齿轮轮齿所受 实际载荷 的大小影响 很大 。 原 动机的 输出转炬 名义值 虽然相 同 ， 作用在齿轮 上的实际 载荷却随原 动 机的 特性 而异 。 如 电动机 ， 蒸 汽轮机或燃气轮机运转 比较 平稳 ， 而内燃机 由于存在四 个不 同的 冲程 ， 其输出波 动 很大 ， 缸 数越少越严 重 。 输出转矩的 波动 程 度 ， 除输出功率外 ， 还 决定 于 其输出转 数的 波 动 程度 。 如 果机器 的 名义 角速 度 以。 。 表示 ， 其运 转不 均匀程度用 最大和 最 小角速 度 的差 。 口 一 。 二 ‘ 。 表示 ， 则其运 转不 均 匀的严 重 程度 可用 不 均匀系数 乙表示 ， 各 。 。 一 。 ‘ 。 。 。 。 常用原 动机的 不均匀系数 乙如表 所 示 。 不 论是输 出功率还是输 出转速 的波动 ， 都 会使齿轮所受 的载 荷的 最大值 随之 发生 变化 。 工 作机工 作阻力矩 的 变化 ， 更是严 重 的影响齿 轮所受 最大载荷 的大小 。 这 种 变化 ， 可 以是工 作 阻 力的变动所 引起 ， 也可是工 作机的转速不 均 匀所 引 起 。 对于某些工 作机上 的原 动机来说 ， 工 作 阻力的 变化 ， 会引起原 动机转速 的波动 ， 从而影响齿轮 实 际载荷的大 小 。 但是 某些工 作机器 ， 即使原 动机转 速稳定 ， 它本身的运 转速 度也是 不 均匀 的 。 如各种 泵 ， 各类空气压 缩机 ， 破碎机 ， 冲床等都 是 这样 见表 。 因此我 们可 以 把工 作机上外载荷 的 变化 表 常用原动机的不 均匀系数 原 动 机 不 均 匀系数 。 丙臀霖…命 一 吞 。 汽 ” “ … 扁 直流 电机 交 流 电机