Una revisione completa delle modalità di guasto degli ingranaggi (28 tipi in 6 categorie)
Gli ingranaggi sono componenti fondamentali di trasmissione nei sistemi meccanici, ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale, automobilistica, eolica e dei macchinari pesanti.riduzione di efficienzaQuesto documento riassume in modo sistematico 28 modalità di guasto degli ingranaggi suddivise in 6 categorie principali, compresi i loro meccanismi di formazione, le caratteristiche tipiche, le caratteristiche die misure di prevenzione, che è una conoscenza industriale essenziale per la progettazione meccanica, l'analisi dei guasti e il personale di manutenzione.
I. Stanchezza da piegatura
L'affaticamento da piegatura si verifica quando la sollecitazione di piegatura ripetuta sui denti degli ingranaggi supera la resistenza alla fatica del materiale, con la sollecitazione massima concentrata sul filetto delle radici dei denti,Iniziare e diffondere le crepeI principali fattori influenzanti sono il numero di cicli e il livello di carico.Il controllo del carico e l'ottimizzazione strutturale sono il cuore della prevenzione.
1.1 Stanchezza da piegatura a basso ciclo
Si verifica quando il carico ciclico è inferiore a 10.000 cicli.mentre i materiali duri e fragili presentano caratteristiche di frattura lisce e elegante.
1.2 Stanchezza da piegatura a ciclo elevato
Si verifica quando il carico ciclico supera i 10.000 cicli, con il materiale in uno stato di bassa deformazione e generalmente entro il range di deformazione elastica.
Misure di prevenzione
Selezionare materiali con una maggiore resistenza alla stanchezza e ottimizzare la progettazione degli ingranaggi per corrispondere al limite di carico e stanchezza.
Adottare i processi di peening (introdurre lo stress compressivo sul filetto della radice del dente) o di lucidatura (ridurre la rugosità della superficie).
Implementare un trattamento termico razionale per ridurre al minimo lo stress residuo nei denti degli ingranaggi.
II. Fatica Hertziana
Il fallimento della stanchezza Hertziana è causato da crepe iniziate da ripetute forze Hertziane sulla superficie o sotto la superficie, che portano a perdite di materiale con la propagazione delle crepe.La scelta ragionevole del materiale e la lubrificazione sono i principali modi per mitigare tale guasto, che è una forma comune di stanchezza superficiale degli ingranaggi sotto carico di contatto.
2.1 Macropitting
Le fessure si formano sulla superficie o a una certa profondità sotto la superficie e si propagano per una breve distanza quasi parallela alla superficie, formando crateri con caratteristiche taglienti e angolari.È classificato come non progressivo (diametro < 1 mm), progressive (diametro > 1 mm) e in forma di scaglie.e le crepe di stanchezza si espandono dalla zona di inizio a forma di ventola della superficie del dente per formare buchi triangolari.
2.2 Micropitting
Appare in aree con macchie opache e grigi e segni di usura sulla superficie, che è comune negli ingranaggi con superficie indurita e può verificarsi anche in ingranaggi completamente induriti con disegno improprio.
2.3 Stanchezza sotto la superficie
Le crepe si formano nella zona di transizione tra il nucleo del dente e lo strato indurito sotto la superficie del dente, causate principalmente da processi di indurimento superficiale (carburizzazione, nitrurazione, indurimento per induzione),indurimento alle fiamme).
2.4 Spalling
Una forma grave di stanchezza superficiale, caratterizzata da buche poco profonde di grande area sulla superficie del dente formate dall'espansione e dalla fusione di più piccole buche.Aumenta significativamente rumore e vibrazione degli ingranaggi, indotta da forti sollecitazioni di contatto e da difetti dei materiali.
Misure di prevenzione
Ridurre lo stress di contatto, utilizzare acciaio pulito e aggiungere processi di macinatura o affinamento nella produzione della superficie dei denti.
Adottare lubrificanti ad alta viscosità; evitare lo sfioramento dei fianchi dei denti per prevenire il micropitting.
Selezionare acciaio indurito, prevenire il surriscaldamento e controllare lo stress al di sotto della resistenza della superficie per la stanchezza della superficie.
Assicurarsi che l'allineamento degli ingranaggi sia corretto e utilizzare materiali di alta qualità per evitare lo spalling.
III. Indossare
L'usura si riferisce al degrado superficiale dei denti degli ingranaggi causato dalla rimozione o dallo spostamento del materiale sotto stress elettrici, meccanici e chimici nel corso del tempo, con conseguente rumore anormale,cattive prestazioni NVH e persino potenziale guastoÈ suddiviso in gradi lievi, moderati e gravi, tra i quali l'usura lieve è normale in molte applicazioni.
3.1 Usura degli adesivi
Trasferimenti di materiale da una superficie dentale all'altra a causa di micro-saldatura e strappo, limitati allo strato di ossido e al film superficiale della superficie dentale.L'aderenza lieve può scomparire da sola quando la superficie si liscia, mentre un'aderenza moderata cancella parte o la totalità dei segni di lavorazione originali.
3.2 Usura da abrasivo
Causato da particelle dure (contaminanti esterni come polvere nel lubrificante o detriti di metallo duro auto-generati da altri guasti),prevalentemente nella punta o nella radice del dente a causa dell'alta velocità di scorrimento localeL'usura grave porta alla completa scomparsa dei segni di lavorazione e alla forte riduzione dello spessore dei denti.
3.3 Usura da lucidatura
un leggero usura abrasiva che rende la superficie del dente gradualmente liscia a causa della contaminazione da lubrificanti chimicamente attivi con additivi anti-scuffature ad alta efficienza,più probabilità di verificarsi quando superfici dure e morbide entrano in contatto.
3.4 Usura corrosiva
Un grave degrado superficiale causato dall'azione combinata dell'usura meccanica e dell'erosione chimica, con la superficie dei denti che presenta macchie, ruggine e aspetto marrone rossastro,e l' intera superficie del dente può essere colpita.
3.5 Corrosione da frenatura
Si verifica quando le superfici di contatto supportano un movimento relativo reciproco di piccola ampiezza sotto pressione, con il lubrificante spremuto che porta a contatto e adesione metallo-metallo.I picchi fratturati generano polvere di ossido di ferro simile alla polvere di cacao, che ostacola il rifornimento del lubrificante e aggrava l'usura.
3.6 Sfregamento
Un'usura adesiva grave in cui detriti metallici da una superficie dentale si trasferiscono a un'altra e si saldanno/sciacquano sulla superficie.distribuiti come bande sottili/ampio lungo la direzione di scorrimentoL'abrasione grave porta alla distorsione plastica del materiale superficiale.
3.7 Usura delle apparecchiature a scarica elettrica (EDM)
L'elevata temperatura causata dalla rottura della pellicola d'olio tra i denti degli ingranaggi da scintille elettriche provoca la fusione locale della superficie dei denti.che formano buche semisferiche lisce e rotonde circondate da acciaio ablato/fuso, indotta da elettricità statica, corrente di albero o cattiva messa a terra.
Misure di prevenzione
Aumentare lo spessore della pellicola del lubrificante (superficie liscia, alta velocità, lubrificante a bassa temperatura) per l'usura dell'adesivo; installare filtri ad alta efficienza per l'olio per rimuovere le particelle dure per l'usura abrasiva.
Utilizzare additivi antirughe a base di borato e rimuovere le particelle abrasive dal lubrificante per la lucidatura.
Selezionare materiali resistenti alla corrosione (ad esempio acciaio inossidabile), ridurre l'umidità ambientale e utilizzare lubrificanti di alta qualità per l'usura corrosiva.
Adottare materiali con proprietà elettrochimiche simili, applicare rivestimenti e aggiungere inibitori della corrosione per frenare la corrosione.
Ottimizzare i parametri geometrici dell'ingranaggio, utilizzare acciaio nitrido e lubrificanti anti-asciugatura ad alta viscosità per l'asciugatura.
Progettare sistemi di messa a terra razionali, utilizzare cuscinetti isolati e effettuare manutenzioni regolari per l'usura dell'EDM.
IV. Cracking
Per crepazione si intende la formazione di varie crepe negli ingranaggi durante la fabbricazione, il trattamento termico o il funzionamento, che è una forma pericolosa di guasto che può portare a fratture improvvise degli ingranaggi.principalmente connessi a difetti di processo, concentrazione di sollecitazione e difetti dei materiali.
4.1 Rotture di estinzione
causato da processi di trattamento termico (carburizzazione, nitrurazione, indurimento per induzione) a causa di stress termico, difetti dei materiali o raffreddamento improprio,caratterizzato da crepe lineari intergranulari che si espandono dalla superficie al centro del dente.
4.2 Fenditure di macinatura
crepe superficiali o sotterranee generate durante lo schiacciamento dei denti, indotte da un'eccessiva generazione di calore e da un raffreddamento insufficiente,che porta a stress di trazione residui e persino bruciature di macinatura (rambiamento o rinforzo delle zone locali)Le zone surriscaldate possono essere identificate mediante incisione acida, con zone di temperatura marroni/neri e macchie bianche di martensite non temperata.
4.3 Fenditure del cerchione e della rete
Le crepe del bordo sono generalmente fratture tra denti adiacenti, che si espandono radialmente attraverso il bordo e la rete; le crepe della rete sono causate da un elevato stress ciclico o da una concentrazione di stress (ad esempio, fori),e la risonanza di spazi bianchi degli ingranaggi peggiorerà tali crepeUn'elevata forza centrifuga può portare a un fallimento catastrofico ad alta velocità.
4.4 Separazione superficie/nucleo dei denti
La superficie del dente indurito si separa dal nucleo del dente morbido a causa di crepe interne all'interfaccia, portando a fratture degli angoli, bordi o dell'intera punta del dente.Dopo il trattamento termico possono comparire crepe immediatamente, durante il trasporto/immagazzinamento o in servizio.
Misure di prevenzione
Assicurare una struttura simmetrica degli ingranaggi in bianco, uno spessore uniforme della parete, ottimizzare il processo di trattamento termico e temperare immediatamente dopo la spegnimento per spegnere le crepe.
Selezionare le rulli di rettifica idonee, controllare la velocità di alimentazione e l'apporto di liquidi di raffreddamento, limitare la durezza superficiale al di sotto di 60 HRC e il contenuto di austenite mantenuto al di sotto del 20% per le crepe di rettifica;utilizzare l'ispezione magnetica delle particelle per la rilevazione delle crepe.
Progettare uno spessore del cerchio pari al doppio della profondità del dente, ridurre la concentrazione di stress ed evitare la risonanza per cerchio e crepe; effettuare regolarmente ispezioni di particelle magnetiche.
Controlla la profondità di carburante alla punta del dente, seleziona acciaio pulito con alta resistenza alla frattura,evitare di sfiorare la superficie dei denti e di temperare immediatamente dopo l'asciugatura per la separazione superficie/nucleo dei denti; utilizzare test ad ultrasuoni per l'identificazione dei difetti.
V. Deformazione plastica
La deformazione plastica si riferisce al cambiamento permanente del profilo dei denti degli ingranaggi, che porta a vibrazioni elevate, rumore anormale e scarsa prestazione di maglia, causata principalmente da un'eccessiva sollecitazione di contatto,temperatura elevata e scarsa lubrificazione, con il materiale che subisce un cambiamento di forma irreversibile.
5.1 Flusso di freddo
Si verifica al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, con il materiale spinto/trascinato lungo la direzione di scorrimento sotto elevata pressione di contatto, con conseguente indentatura superficiale e grave arrotondamento delle punte dei denti;Il lavoro a freddo indurisce i materiali superficiali e sotterranei con carico elevato.
5.2 Flusso di calore
si verifica al di sopra della temperatura di ricristallizzazione, con flusso plastico del materiale degli ingranaggi sotto l'azione combinata di alta temperatura e tensione, portando alla distorsione delle dimensioni e della forma degli ingranaggi,per lo più causato da sovraccarico o da una lubrificazione insufficiente (accumulo di calore per attrito).
5.3 Indentatura
I corpi estranei duri (metalli o detriti) sulle superfici dei denti a maglia formano depressioni o buche sulla superficie del dente motore, con conseguente aumento dello stress, riduzione dell'efficienza e vibrazioni anormali.
5.4 Deformazione del rotolamento
L'elevata sollecitazione di contatto causata dal movimento combinato di rotolamento e di scorrimento durante la reticolazione degli ingranaggi porta a deformazioni plastiche,che possono indurre crepe superficiali e spostamento del materiale con la propagazione delle crepe.
5.5 Ondulazione
Deformazione periodicamente ondulata della superficie del dente motore con creste ondulate perpendicolari alla direzione di scorrimento e aspetto a squame lungo tutta la lunghezza del dente,prevalentemente a bassa velocità a causa dell'insufficienza di una pellicola oleosa elastohidrodinamica, correlati al flusso di plastica sotto elevato stress di contatto e lubrificazione di confine.
5.6 Rigolamento
Formato dall'usura della superficie/sotto-superficie e dal flusso di plastica, indotto da una scarsa lubrificazione, contaminazione da lubrificante, disallineamento e sovraccarico, con conseguente aumento del rumore,riduzione dell'efficienza e persino gravi danni.
5.7 Rendibilità dei filetti di radice dentale
Curvatura permanente dei denti degli ingranaggi quando la tensione di curvatura del filetto radicale dei denti supera la resistenza al rendimento del materiale,che porta a un errore di passo significativo e interferenze distruttive tra i denti di maglia, e aumento del rumore e delle vibrazioni.
5.8 Interferenze da radice
La deformazione plastica, l'adesione e l'abrasione si verificano alla punta dei denti di un ingranaggio e alla radice dei denti dell'ingranaggio di accoppiamento, causate da una modifica insufficiente della punta/radice,errore geometrico/di passo o distanza centrale impropriaIl sovraccarico aggraverà il difetto riducendo la distanza tra le maglie e la zona danneggiata può indurre la fatica Hertziana.
Misure di prevenzione
Ridurre lo stress di contatto, migliorare la durezza superficiale/sottosuperficiale e aumentare l'accuratezza del passo per il flusso freddo; selezionare materiali resistenti alle alte temperature e garantire una lubrificazione sufficiente per il flusso caldo.
Utilizzare lubrificanti puliti di alta qualità, installare filtri efficienti e scatole di guarnizioni di tenuta ragionevolmente per le rientranze; adottare una lubrificazione razionale,selezione dei materiali e trattamento superficiale per la deformazione della laminazione.
Assicurare una corretta lubrificazione, un corretto allineamento e un indurimento superficiale dei materiali molli per la ondulazione; garantire una lubrificazione sufficiente, ottimizzare la progettazione degli ingranaggi e l'allineamento corretto regolarmente per il ridging.
Selezionare materiali con una resistenza al rendimento maggiore, aumentare il raggio del filetto radicale dei denti e adottare un indurimento superficiale (carburizzazione/nitrurazione) per ottenere il rendimento del filetto radicale dei denti; evitare il sovraccarico.
Aumentare l'angolo di pressione, effettuare il taglio radicale, aggiungere il numero di denti o ingrandire la distanza centrale per l'interferenza punta-radice; ottimizzare i parametri geometrici degli ingranaggi e controllare la precisione di lavorazione.
VI. Frattura
La frattura è la forma più grave di guasto degli ingranaggi, con la struttura dentale completamente danneggiata e la perdita della funzione di trasmissione, principalmente suddivisa in frattura fragile,frattura duttile e frattura da impatto, diversi nelle caratteristiche delle fratture e nei fattori induttori.
6.1 Frattura fragile
Caratterizzato da una rapida propagazione di crepe senza deformazioni plastiche evidenti, con una superficie macroscopica di frattura brillante e granulare, piatta e perpendicolare all'asse di sollecitazione.Di solito è causata da un carico di grande impatto o da una concentrazione di tensione, e si verifica a un livello di stress inferiore rispetto alla frattura duttile.
6.2 Frattura duttile
Prima della frattura del materiale si verifica una significativa deformazione plastica, con un'evidente deformazione o allungamento del collo e la superficie della frattura presenta una forma a cono, fibrosa e grigia.Un labbro di taglio può formarsi sul lato non funzionante dei denti degli ingranaggi, e il materiale assorbe una grande quantità di energia durante la frattura.
6.3 Frattura da urto
Causato da un carico o da un impatto improvviso ad alto stress (sovraccarico o incidenti), che porta a una frattura improvvisa dei denti degli ingranaggi senza un precursore evidente.La superficie della frattura è piatta e perpendicolare alla direzione principale dello sforzo di trazione, simile a una frattura fragile, indotta da carico eccessivo, urto accidentale e difetti interni del materiale.
Misure di prevenzione
Implementare un adeguato trattamento termico per migliorare la resistenza del materiale e selezionare materiali con elevata resistenza alla frattura e duttilità per la frattura fragile.
Utilizzare materiali di alta resistenza con difetti minimi per la frattura duttile.
Selezionare materiali di alta qualità, effettuare regolarmente prove non distruttive ed evitare sovraccarichi/impatti accidentali per fratture da urto.
Riassunto chiave
Il guasto dell'attrezzatura è il risultato complessivo delle condizioni di materiale, progettazione, processo e funzionamento..Tra i principi fondamentali della prevenzione figurano: la selezione razionale dei materiali e il trattamento delle superfici, la progettazione strutturale ottimizzata per ridurre la concentrazione di stress,controllo rigoroso dei processi di produzione/trattamento termico, una corretta lubrificazione e manutenzione e il rispetto delle condizioni di funzionamento nominali.dovrebbero essere adottate misure mirate di rilevamento e prevenzione per migliorare l'affidabilità e la durata di servizio dei sistemi di ingranaggi.