第2章　齿轮轴承材料延寿

2.1　齿轮与轴承行业发展现状

2.1.1　中国已经成为齿轮轴承基础构件主要生产国家

重大复杂机械装备是现代国防、空天运载与国家核心竞争力发展的支撑，当前，我国重大工程用高性能构件和高精度、高性能基础传动部件距需求都有很大差距；高端精密数控制造技术与机床的水平局限了我国整体制造能力。总体来说，我国的制造技术与装备与发达国家差距约为10～20年，远不能满足国家武器装备、空天运载、大型基础产业装备的需求，无法保障我国国防与经济安全以及在国际竞争中取得制高点。装备以及机床中齿轮轴承等基础部件质量性能起到重要作用。

我国已经发展成为世界上较大的齿轮轴承材料及其构件生产大国，不仅满足了国家关键装备及其重大工程制造的需求，又承担了大量出口任务，我国生产的许多齿轮轴承品种的材料产量居世界前列。关键基础构件齿轮、轴承决定了机械装备的主要功能，失效将导致灾难性后果，20世纪末疲劳成为齿轮轴承主要失效模式。齿轮轴承作为核心关键基础构件，具有共通的基础制造技术、类同的服役环境：既适应航空、航天、高速列车，也适应风电机组、汽轮机、燃气轮机，还适应汽车与普通机械等。

我国轴承行业规模跃居世界第三，是轴承出口大国。随着经济、科学技术的高速发展，国外轴承工业经过曲折发展，已经拥有八大跨国轴承集团公司，年工业产值达到近千亿美元的规模，取得了惊人的成就。目前，国外轴承工业已由最初的产量仅几万套、品种单一、精度很差、寿命较短的状况发展到如今的批量以亿套计、品种十万多种、精度达到纳米级、工作寿命极长的崭新水平。最小的微型轴承内径已小到0.5mm；最大的特大型轴承外径可达数十米。

我国是世界轴承的主要消费市场之一。2010年，我国轴承销往世界192个国家和地区，主要市场为亚洲、西欧和北美。出口创汇超过1000万美元的国家和地区有41个，共计创汇31.47亿美元，占当年创汇总额的95.32％。2010年，我国进口轴承来自世界91个国家和地区。其中进口额超1000万美元的有20个，共用汇36.15亿美元，占我国轴承进口总额的94.93％。据轴承行业经济年报统计，年报企业全年生产轴承32.98亿套，成品轴承产值364.29亿元。其中较精密级（P6级）以上轴承2.86亿套，占轴承总产量的8.67％；产值40.07亿元，占成品轴承总产值的11.0％。我国航空航天实现自给，但航空发动机、风电机组、轿车等主轴承主要依赖进口。

齿轮作为中国工业的象征是具有显著特点的工业关键部件。齿轮传动产品是技术密集型与资金密集型的产品，齿轮企业是需要高技术高投入与人才聚集的企业。齿轮传动产品配套市场广泛，工况复杂多变，使用条件各异。因此，针对不同的配套主机，齿轮产品均需要有针对性地设计、开发。市场与传动形式的差异化、产品性能的差异化、产品结构的千变万化，如同轴传动、平行轴传动、直角轴传动、空间传动组合的任意变化，决定了齿轮传动产品是极其重要的机械基础零部件，而不是机械通用零部件。

齿轮传动行业是机械工业基础件中最大的行业，同时也是一个较为稳定高速发展的产业，产业规模超过1000亿元。齿轮行业2005～2009年齿轮产品市场规模5年翻了一番。随国民经济的快速发展，我国齿轮行业进步显著，目前产业门类齐全，广泛应用于航空船舶、兵器装备、汽摩农机、机床工具、工程机械、轨道交通、水泥建筑、起重运输、矿山冶金、电力能源、石油化工和仪器仪表等二十多个领域。形成了独立完整的工业体系，行业骨干企业初步具备了全新产品研发能力，高档齿轮传动装置是我国提高重大装备自主化率的关键产品之一，为装备制造业作出了重要贡献。中国工业齿轮30多年的发展，从测绘仿制、引进消化、合作制造到自主创新研发，从仅为燃汽轮机、发电机组配套到目前的冶金建材、风力发电、高速精密、船用、标准通用等各种齿轮箱的全面设计制造，年产值从几百万元人民币发展到一千多亿元人民币，特别是近年来在汽车、风电、高铁和基础设施等快速发展的拉动下，全行业呈快速发展之势。到2010年底，即“十一五”末我国齿轮市场总需求将超过1400亿元人民币，比2005年的683亿元增长一倍多，成为世界齿轮制造大国。2005～2009年期间，我国齿轮市场规模持续增长，平均增长速度为22.1％，其中国内销售额增长速度为18.2％，国外进口额增长速度为32.0％，2010年，我国齿轮国内销售额为1063亿元人民币，进口额达到542亿元人民币。

我国齿轮的出口金额增长却始终低于进口增长，出口平均增长速度为15.6％，而进口增长速度为39.1％，2009年，我国齿轮的出口金额为18.28亿美元，进口金额达到83.33亿美元，从近些年齿轮产品进出口统计数字看，持续呈现贸易逆差，且越来越大，2009年贸易逆差高达65.05亿美元。我国高端齿轮产品依靠进口的情况相当严重，其中进口额最大的轿车自动变速器，2009年为37.23亿美元，占齿轮产品进口总额的44.68％。我国齿轮产品的主要进口国依次是日本、法国、韩国、美国、法国、意大利。反映出我国高端齿轮产品仍依赖进口。我国齿轮出口产品中，高精度、高技术含量和高附加值所占比例较低。

2.1.2　中国已经拥有高端齿轮轴承产品与关键技术

齿轮技术发展经历了生产软齿面齿轮、研制氮化齿轮、感应淬火齿轮，20世纪70年代以来，世界齿轮技术发展迅速。设计方法、材料和制造工艺起到了关键性作用。发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术。国外工业发达国家70年代开始制造渗碳淬火齿轮。但是，受渗碳层深度及热处理质量等一些技术的限制，直到80年代，渗碳淬火磨齿的硬齿面技术才真正成熟。采用优质合金钢锻件渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，承载能力是调质齿轮的4倍：传递同样功率的条件下，调质齿轮减速器的重量为硬齿面减速器的3倍左右。

中国工业齿轮技术的迅速发展始于20世纪80年代初，同时应用硬齿面技术。70年代末，中国改革开放后相继引进了许多大型成套项目，使中国的齿轮行业开始接触了国外先进的齿轮传动装置：如武钢1700mm轧机中的标准齿轮减速器和轧钢机减速器、英国23000kW汽轮机发电机组负荷齿轮箱、30万吨/a合成氨中的高速齿轮装置，为中国工业齿轮发展奠定基础。从80年代初至今，硬齿面技术迅猛发展，形成了一批具有一定实力的企业，迎来了齿轮产业的腾飞和世界齿轮制造业向中国的转移。齿轮行业已发展成为一个独立的工业体系，且有了相当规模齿轮及相关产品行业，现有企业1000多家，分布在汽车、工程机械、矿山、冶金、电力、船舶、农机、航空航天、铁道、石油化工、兵器、纺织等全国各个行业。我国齿轮行业三大市场，分别为汽车齿轮、通用工业齿轮、专用工业齿轮，车辆齿轮占齿轮市场总额的62％，汽车齿轮占车辆齿轮的62％，即汽车齿轮占整个齿轮市场近40％的比重，汽车产业是齿轮行业最重要的下游产业。

进入21世纪，随着全球经济一体化和国际合作交流的发展，国内工业齿轮企业通过与国外技术先进企业合作，极大地增强了中国工业齿轮的研发和制造能力。30多年来，中国的齿轮制造业不断从国外引进先进的装备，如磨齿机、镗铣加工中心、热处理设备、检测设备等，工业齿轮加工的总装备能力已经达到甚至超过一些发达国家。

2.1.3　我国轴承齿轮材料品种规格基本能适应装备制造业的需求

中国轴承齿轮材料种类繁多，材料品种齐全，基本能适应我国重大工程和关键装备齿轮轴承材料的需求；我国已经掌握一些高性能轴承齿轮材料及其研制技术，满足高端轴承齿轮产品的需求。如我国开发的高强高韧高温不锈轴承齿轮材料能够满足新一代航天航空材料的需求，随着齿轮轴承材料发展，暴露出材料工艺适应性和材料环境适应性的数据积累不够的问题，存在加工制造和服役环境作用引发的轴承齿轮故障和失效频发的情况。

2.1.4　制造工艺性和环境适应性的齿轮轴承材料有所发展

齿轮轴承材料存在的意义就在于能制造成为满足功能要求又在服役环境中可靠使用的齿轮轴承制品。目前已经开发并应用环境适应性齿轮轴承材料，其特征是适应了服役环境要求，并经过实际应用验证。未来主要开发环境友好型齿轮轴承材料，属于20世纪90年代兴起研究和开发的材料，其特征是从材料诞生到退役全过程中对环境没有或很少有负面作用的材料。只有适应服役环境（包括自然环境和使用运行环境）要求的材料才能全面完成性能检测、成形加工工艺和应用研究的考核。现在使用的齿轮轴承材料多是环境适应性良好的材料，如耐盐雾腐蚀、耐磨、耐高温等不同具体使用环境和满足高速、重载使用运行环境要求的航空轴承齿轮钢。随着轴承齿轮产品性能的提高和适用范围的扩大，所适应的环境也在变化。目前轴承齿轮材料能够满足使用要求。

2.1.5　齿轮轴承材料与构件检测技术得到了相应的发展

齿轮轴承材料的检测技术是提高产品质量的重要保证，是全面质量管理的重要环节；是设计与可靠性工程的重要技术基础；安全和维修工程的理论基础和指导依据。为了确保齿轮轴承环境适应性材料及其构件的研究、开发和应用，我国材料检测技术得到了相应的发展。

齿轮轴承作为航空关键部件，材料检测具有重要意义。航空材料使用可靠性和安全性放在首位，除了对材料的原料选择及对每一项生产工艺必须严格把握之外，就是加强检验和严格测试。测试项目与设计密切相关。航空齿轮材料，采用静强度设计，对齿轮材料只要提供“五大指标”再增加持久性能就满足要求；采用安全寿命设计，要以高周疲劳S-N曲线来评估材料；采用有限寿命设计，用应变疲劳S-N曲线来评估寿命；基于断裂力学，提出了损伤容限设计，概率设计，对材料性能要求越来越多、越来越高，除基本性能外，还要求有统计性能、使用性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩张速率等。设计部门提出：齿轮材料必须具有6个温度下的短时力学性能、4种温度下的持久曲线和蠕变曲线疲劳性能以及断裂韧性等97项性能数据；航空发动机齿轮材料及齿轮制造过程中所需要的检测内容及其所涉及的检测设备、检测方法、检测标准、人员资格要求。

只有所有的检测都达到了指标要求，才能真正完成从材料到制造成制品的任务，制造成为所需要的零件，只要有一项指标不合格就报废，所以，零件越复杂，检测不合格的概率越高，成品合格率越低。高性能航空发动机齿轮的制造，合格率达到50％～70％。

2.1.6　轴承齿轮运行环境模拟实验快速发展

齿轮轴承材料制品安装在飞船、火箭、飞机、汽车、轮船、高铁都有其使用运行环境，为了满足运行环境的使用要求，除了要求材料研究与生产部门提供必要的化学成分、物理、化学、力学性能数据之外，还要进行模拟运行环境实际条件的模拟试验，包括零件、部件、组装件、单元体和整机的模拟试验，以考察其在运行环境条件下的使用可靠性、安全性、经济性和耐久性。

深入研究轴承齿轮极端的环境、复杂的载荷和失效机理，现有的寿命预测方法研究都只是针对在普通工况下齿轮轴承材料或构件，未能达到实现机械重大装备整机寿命预测的水平，加大力度针对机械重大装备的实际服役工况进行实用有效的机械重大装备寿命预测技术的研究。同时采取技术措施和政策措施以规范行业行为，确保齿轮轴承系统的寿命、安全性、可靠性。齿轮轴承材料环境损伤行为研究的最终目的是对构件在使役环境下的寿命进行预测和延长其使用寿命。寿命预测的根本在于损伤动力学过程的模型化。在轴承齿轮寿命预测与耐久性评价、构件的安全性、可靠性评价方面，与国外发达国家比较还有较大差距。开展综合技术验证研究与台架考核试验研究。基于先进轴承、齿轮钢材料全面性能的基础上，开展典型结构元件的疲劳寿命评价与预测技术研究，建立完善的齿轮轴承疲劳寿命试验手段，试验齿轮轴承材料、齿轮材料构件、齿轮轴承系统的疲劳寿命和服役行为，以进一步评价、改进齿轮轴承材料及构件技术体系，建立完善的齿轮材料寿命预测和构件综合工艺技术体系数据库。

2.2　齿轮轴承材料及其构件发展差距

2.2.1　齿轮轴承材料质量稳定性及其构件质量性能

我国不是齿轮轴承材料强国，在确保材料性能、稳定生产质量、减少材料次品，提高材料使用可靠性、安全性、经济性，延长使用寿命、减少事故发生等方面，与国外还存在较大的差距。

与发达国家比较，我国轴承齿轮寿命比较短，美国于1970年基本实现了表面完整性制造，第三代战机F-15、F-16寿命达到5000Fh（飞行小时），创世界最长寿命。随后表面完整性制造技术不断创新发展，如今F-16飞机寿命延长至8000Fh，B-787客机寿命达到80000Fh，空客A-350机在追求13000Fh。直升机主减速器传动齿轮大修寿命TBO（time between overhaul）达到8000Fh（寿命为TBOX3）。军用发动机主轴承寿命达到3000h以上，客机发动机主轴承寿命达到30000h以上。美国的材料与工艺发展规划中还要在2010年将可更换构件寿命再提高60％。

国内关键基础构件寿命短，与国外先进水平形成明显差距。发动机主轴承寿命仅300h，仅约为美国的1/10：直升机主减速器螺旋锥齿轮寿命仅约600～1200h。我国已是飞机、航空发动机、风电机组、汽轮机、燃气轮机、船舶、汽车等机械制造大国，但风电机组传动齿轮、高速列车传动齿轮、直升机减速器传动齿轮的产品依赖进口或者关键技术依靠国外。美国直升机主减速器大修寿命TBO达到6000h、8000h（寿命为TBOX3）。国产主减速器仅600～1200h。依赖国外技术，齿轮性能远比国外产品低得多，可靠性差。国内航空主减速器行星齿轮轴承零件生产的零件需要在国外装配，我国还没有掌握齿轮生产关键技术与服役行为。齿轮轴承关键基础构件是装备制造业的核心和瓶颈。重大装备的自主创新基于轴承齿轮关键基础构件。我国轴承业继日本和德国之后居世界第三，但与世界轴承工业强国相比，我国轴承业还存在较大差距，主要表现为高精度、高技术含量和高附加值产品比例偏低、产品稳定性差、可靠性低、寿命短等。我国轴承企业总数在世界上占据第一位，但其中多数企业规模不大、竞争能力不强、抗风险能力弱。国内传统五大轴承企业的轴承产量约占全国总量的20％，德国三大公司轴承产量占全国总量的96％，美国四大公司占56％，日本五大公司占有率高达99.2％。目前国家重要装备所需高端轴承几乎全部依赖进口，仅2008年精密轴承进口额就达28亿美元，然而用于尖端技术和国防重要装备的超精密轴承是国外严格限制向我国出口的产品。因此，我国高端轴承技术的落后严重制约了国民经济发展和国防建设重大装备实施。

轴承齿轮材料差距主要表现在四个方面。其一是先进轴承齿轮材料研究滞后，新一代航空产品所需的一些关键轴承齿轮材料，还处于研发阶段，与国外先进齿轮轴承新材料研制水平的差距约为10～15年。其二是齿轮轴承材料制备工艺条件存在差距，尽管研制、生产和应用研齿轮轴承新材料研制、生产和应用研究的基础条件有所改善，但是超纯熔炼、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等还不能满足新材料研制、生产与应用的需要。其三是目前在用轴承齿轮材料的质量不稳定，性能数据分散，表面质量差，尺寸精度低，有些品种规格不能正常供货，满足不了生产使用要求。当前国内生产的航空齿轮轴承材料，从总体上看，其技术标准规定的质量指标基本上达到或接近国际水平，但材料的实物质量却普遍低于国际水平。主要表现在不同炉批的材料，其成分与性能虽然符合标准规定，但波动范围大，材质的一致性、均匀性和稳定性较差。其四是材料性能数据存在的少、缺、散状况不利于正确使用，给航空齿轮轴承产品的结构设计、分析计算、寿命预测及可靠性评估等造成极大困难，在一定程度上制约着我国航空产业的发展。

2.2.2　齿轮轴承材料提前失效，导致主机系统安全性下降

由于现代化系统、装备、仪器仪表等机械装备日益庞大与复杂，可靠安全性问题更加突出。系统越复杂，出故障的可能性就越大、不可靠的代价也越大。产品不可靠造成的损失不仅限于经济和信誉方面，重大技术装备如核电机组、人造卫星、军用装备等的可靠性问题直接威胁国家能源、动力、信息等重大基础设施与国防安全，甚至引起重大环境灾难。

美国军用航空发动机主轴承寿命达到3000h以上，民航客机涡轮喷气发动机主轴承寿命早在20世纪50年代就达到30000h。国产军用航空发动主轴承寿命仅约300h，我国大型客机发动机长寿命主轴承材料及其构件还没有开始研制，严重制约了高端轴承发展和可靠使用。轴承作为装备制造业的关键基础件，其精度、性能、寿命和可靠性，直接关系到主机的质量和性能，并且密切制约着主机工业的发展。

重大机械装备的高性能、长寿命、可靠性和经济性与齿轮轴承关键基础构件密切相关，装备服役行为主要体现于齿轮轴承的服役行为。关键机械装备依赖进口、技术受制于人，主要影响因素是齿轮轴承。其中齿轮轴承材料制备与工艺适应性和服役环境适应作为关键。据航空部门统计，我国航空史上重复3次以上、影响重大的14起事故中，13起来自发动机。主轴承1起，重复12次；中央传动齿轮2起，重复9次。2003年统计的300多起发动机故障中，绝大部分也是齿轮轴承等关键基础构件的疲劳失效。齿轮轴承关键基础构件故障出现，体现主轴承、传动齿轮等关键基础构件与国外差距。我国齿轮轴承关键基础构件主要存在寿命短、可靠性差、结构重，严重制约齿轮轴承产品服役行为与经济性的提高。

齿轮轴承服役寿命决定于设计、材料、制造以及装配和服役环境。国外统计失效轴承，结果发现润滑不良占43％；装配不当占29％，而密封缺陷占到18％，润滑不良、烧伤、裂纹等称为故障的破损起因引起构件失效。接触疲劳导致失效仅占到8％，与钢的滚动接触疲劳产生的表面剥落有关，与材料质量性能直接相关。轴承在旋转时滚动体在内外套圈表面滚动运转，此接触部分的钢材承受反复作用的应力，经过一段时间后，在内外套圈或滚动体的滚道面上便会产生称为表面剥落的剥离，轴承发生失效。因此轴承齿轮构件失效不完全取决于材料，与服役环境和设计以及加工制造密切相关。

2.2.3　轴承齿轮基础研究和设计理论以及数据积累等方面差距

我国没有轴承材料基础研究与设计理论及实际工况下的试验数据支撑。针对高速重载工况下高端轴承设计所面临的诸多复杂性难题，我国精密数控机床、风电、精密轧机及国防等重要装备制造业对高端高速重载精密轴承存在非常迫切的重大需求，对其产品设计涉及核心技术发展提出了越来越大的挑战，并引起了各界普遍高度重视。为此有必要对国内外轴承产品设计能力现状进行分析，以获得提高我国轴承产品设计能力的渠道。我国轴承生产企业设计能力参差不齐，很多企业仅能设计低级别的轴承，所设计的轴承精度为E级，我国轴承集团产品主要以D级和E级为主。国外如NSK、FAG等公司已经拥有更好级别的轴承产品，但是超精密轴承限制出口。高端轴承已经逐步成为传统行业提升及新兴行业竞争的瓶颈，因而成为轴承行业竞争的焦点。

2.2.4　我国轴承齿轮精度、可靠性、长寿命与国外差距

我国轴承工业于1950年开始起步建设，经过半个世纪的发展，已经形成了比较系统完整的生产与技术体系，成为排名于日本、美国和德国之后的世界轴承生产第四大国。与轴承工业发达国家相比，我国轴承工业尚存在很大差距。在高端轴承领域，如风电、高铁、精密机床等，其技术体现为高载荷、高可靠性、高精密、高转速、低噪声等，我国在高端轴承领域还属于起步阶段，设计、材料和加工能力远远落后于国外。轴承品种繁多，要求各异，尺寸范围从用于隧道掘进机的外径大于10m的超大型轴承到用于电机的内径不足1mm的微型轴承，高速性能的DN值可以超过4×106，并广泛地应用在不同的环境之中，大气环境、半导体生产装备的超洁净环境和航空发动机的高温环境等。基于工业技术领域“生产率”、“安全与维护”和“环保”三个主题。我国轴承发展趋势与国际先进技术的差距有以下几方面。

一是品种，目前世界轴承产品的品种规格共计约15万个，我国迄今累计生产仅7万余个，而且大多为通用产品。为促进自动化生产、自动化操作系统和柔性生产系统的发展，为推动各种生产设备在高速、精确与高效率的应用，提高生产效率，相应要求开发高性能轴承、超清洁轴承、磁学与流体动力学混合型轴承、纳米润滑轴承等。

二是尺寸公差与旋转精度，我国高端轴承在尺寸偏差的离散度方面还存在着较大差距。另外，国外早已开始研究和应用“不可重复跳动”这样精细的旋转精度指标，而我国在此方面的研究还较少。

三是轴承高速性能方面，国外名牌产品的DN值达4×106mm·r/min，而我国轴承仅为3×106mm·r/min。轴承振动、噪声与异音方面，日本已推出静音及超静音轴承，而我国高端轴承的振动（加速度）极值水平与日本产品相比，一般要相差10dB以上。

四是轴承寿命与可靠性方面，以深沟球轴承为例，国外名牌产品的寿命一般为计算寿命的8倍以上（最高可达30倍以上），可靠性为98％以上（或追求与主机等寿命），而我国轴承的寿命一般仅为计算寿命的3～5倍，可靠性为96％左右。

在特殊工况的轴承应用技术方面，我国高端轴承更是存在着相当大的差距，发生国防重要装备和主机轴承断裂引发的严重事故；另外还存在高精度数控机床轴承精度保持度不足、高速铁路机车轴承寿命低、航空设备或飞行器轴承可靠性低等问题，与国外具有一定差距。我国已经成为轴承齿轮材料大国，但是，只能满足中低档需求和部分高档需要。核心部件和重大装备轴承齿轮材料严重依赖于进口，关键技术受制于人，使得我国总体水平处于国际产业链中低端，阻碍我国的持续发展。我国轴承生产能力很强，中低档轴承出口许多国家，但是，高速、超高速轴承，高承载轴承依赖进口；汽车、工程机械、高铁、煤机和大型农机等的高端齿轮传动装置大量依赖进口，且进出口逆差逐年加大。

我国高铁已经世界第一，但是，大功率机车车轮、动车组车轮和车轴钢坯、轴承主要依靠进口。关键制造技术如车轮、车轴、轴承均为国外进口的制造技术；我国汽车2011年产量世界第一，但是发动机自动变速箱的传动链、双离合器、传动系统电子控制单元；五速以上的自动变速箱主要依赖进口；近代先进航空发动机主要依靠进口；飞机制造所需关键轴承和关键高性能材料依赖进口；高端、精尖数控机床以及基础构件材料主要依赖国外。

目前，我国齿轮行业的产品质量、产品设计、工艺开发、制造装备和检测试验等综合技术水平相当于发达国家20世纪90年代中后期水平，落后于其10～15年，行业龙头企业初步具备了全新产品开发能力。一方面，中低端产品产能过剩，同质化恶性竞争；另一方面，高端产品能力不足，汽车、工程机械、高铁、煤机和大型农机等的高端齿轮传动装置（包括行星传动）大量依赖进口，且进出口逆差逐年加大。尽管国内齿轮市场规模与齿轮产量增长速度较快，与国外先进水平相比，研发周期是国外同类产品的2～3倍，齿轮服役寿命是国外同类产品的30％～50％，相比国外低1/3～2/3，产品精度以及一致性相比国外具有一定差距。主要表现如下：①产品研发落后；②工艺水平较低；③产业集中度低，车辆齿轮不到22％，工业通用齿轮和工业专用齿轮也仅为38％和32％。

相比国外发达国家，国内齿轮关键技术具有较大距离而导致齿轮产品差距。具体表现如下几方面。①缺乏对核心技术的掌握，基础研究有待深入。国内目前齿轮箱的结构基本采用国外技术或仿制，对功率分流方式、均载形式、轮齿精密修形等缺乏深入研究和成熟经验。②齿轮可靠性不高：齿轮作为传动系统的核心构件，其结构复杂，设计制造要求很高，使用工况十分复杂，对齿轮可靠性提出严格要求。国内缺乏对这类复杂产品的系统深入研究，缺乏制造、装配、运行等质量控制的手段和经验，缺乏对系统的整体分析、缺乏传动系统可靠性设计的方法、缺乏对系统动力学的深入研究、缺乏对均载机构设计及分析技术的研究等，造成断齿、断轴、轴承损坏、漏油、温升等失效问题。③缺乏丰富有效的基础设计数据和产品试验方法和装置。齿轮长期受复杂交变载荷作用，运行过程中长期伴随切入、切出、停机等事件发生，齿轮设计需要建立丰富有效的基础设计数据和设计方法，但国内既缺乏有效的设计数据，又缺乏变载荷作用下齿轮、轴承等关键零部件的可靠设计计算方法和试验测试方法及装置。

2.2.5　我国齿轮轴承再制造与循环经济与国外存在差距

修复与再制造的研究内容贯穿轴承齿轮的全寿命周期。在产品设计阶段，要考虑齿轮轴承构件的可维修性与再制造性设计，包括可拆卸性设计、可回收性设计和可再加工性设计等；在齿轮轴承构件的服役阶段，常常要考虑齿轮轴承构件安全检测以及状态监测与跟踪；在齿轮轴承构件的报废阶段，要进行零部件的失效分析及剩余寿命演变规律的探索；在产品的修复与再制造实施阶段，需确保齿轮轴承构件的再制造质量以及后续运行的安全可靠性，针对不同服役环境，发展抗疲劳、抗腐蚀、抗高温、抗磨损的先进修复与再制造工艺。为此，修复与再制造包括可维修性与再制造性设计、先进修复与再制造工艺、修复与再制造部件的失效规律与寿命预测以及质量检验方法等。

2.2.6　高档精密检测设备以及检测方法和标准依赖国外

一些高端齿轮轴承材料性能和制造成齿轮轴承产品的检测技术、检测方法、检测标准依赖国外。材料性能的检测技术、材料制成品是否合格的检测技术、方法、标准也依赖国外。

2.2.7　齿轮轴承基础部件所构成的系统可靠安全性研究较少

齿轮轴承系统大多在复杂载荷历程下服役，多种失效机理、多种失效模式并存且存在相互作用及竞争关系；服役过程中系统性能逐渐劣化，轴承齿轮零部件在环境载荷持续作用下损伤不断发展，呈时变性和多状态特征，规律复杂；轴承齿轮零部件失效之间、各失效机理或各失效模式之间存在明显的相关性，不存在轴承齿轮零件独立失效假设。

近年来，国外结合航空航天、交通运输、化工和能源等行业重大装备的研发与服役安全，在系统的多状态性及零部件的失效相关性、基于失效机理的可靠性建模方法、可靠性敏感因素识别、系统可靠性设计与优化以及可靠性仿真与实验技术等方面进行了深入探索并形成相关设计技术。目前，国内在复杂系统可靠性试验与评估方面，大部分研究工作还仅限于单纯的失效数据统计，尚未与失效的物理背景很好地结合起来。

2.2.8　齿轮轴承基础部件所构成的系统全寿命控制方面具有差距

国外对轴承齿轮系统全寿命控制方面进行大量研究并形成相关控制技术。现代齿轮轴承产品从使用到寿命终了大体要经历如下环节：服役初期，需根据可能的失效模式确定合理的检验和维修周期；在达到设计寿命时，必须进行寿命预测和失效评价，以确定实际使用寿命和后期的安全检测与维修周期，或根据轴承齿轮产品的状况进行修复或再制造，然后再进行失效评价与寿命预测。对于重大关键轴承齿轮机械产品，延长寿命期间常常需要安全检测与在线健康监测并举。与在线监测网络一体化的安全分析系统会及时给出终止运行的警报，以确保使用中的安全性。在保障轴承齿轮产品安全服役的这些相关环节中，形成的科学方法与经验积累，进而可以向轴承齿轮设计制造阶段反馈，以最终实现改进齿轮轴承产品设计制造的目的。显然在齿轮轴承寿命的延长阶段，对失效评价、寿命预测、修复或再制造、安全检测与监测技术均提出了更高的要求。

2.2.9　我国齿轮轴承所构成的系统安全检测与在线健康监测方面差距

国外发展高温、高压等极端环境下产品的健康监测方法和设备，长期在线的监测往往受限于传感元件的稳定性与可靠性。目前，需要检测和监测损伤与缺陷的发展，建立相应的安全分析与寿命预测软硬件系统和特殊环境下的传感装置、轴承齿轮/材料的失效模式数据库、材料与结构的基础性能数据库。以飞机为例，目前结构健康监测系统的应用主要集中在飞机的地面结构强度和疲劳实验中以及装机后的离线测试，今后可望实现在役飞机的在线监测，以至实现飞机全面的健康监测。国外优先发展更为先进、可靠和稳定的传感技术，嵌入式健康监测网络、损伤状态的特征提取方法、安全监测-评价一体化技术，并逐步实现智能测控，以确保安全可靠运行。国内在这方面存在较大差距。

轴承齿轮服役期间能否安全、可靠、高效运行，首先需要在设计阶段进行服役运行安全性能的分析评估，其次是在服役期间进行实时监测与控制，并能在线进行故障诊断与预示。这需要在构件服役基本规律的基础上，形成一套关于轴承齿轮构件和系统安全运行的技术保障体系。

2.2.10　我国齿轮轴承表面完整性与摩擦、磨损润滑性能方面差距

齿轮轴承表面界面工程是指以调控和改善表面界面性能为目的的工程技术，主要分为“改性”和“改形”两大类，前者通过各种表面涂层、镀膜和表面强化等手段改变表面的材料、结构和物理性质，后者利用表面超精加工手段改变表面的微观几何形态，也称为表面织构技术。通过表面界面工程，可以使轴承齿轮产品具备特殊的功能，如自清洁、减阻、抗腐蚀、吸声等，或优异的机械、电磁、传热、光学等性能。齿轮轴承表面界面工程设计的基础是表面效应和界面效应。大多数零件由于成形和服役过程中的受力变形以及环境的作用，表层存在微米级的变形层、纳米级的微晶或非晶层以及化学反应层，从而导致表面（层）的物理性能和化学性能与基体不同。

2.3　轴承齿轮材料与构件失效及影响因素

2.3.1　轴承的失效及影响因素

轴承用来支承转动轴或其他旋转零件，引导旋转运动，并承受传递给支架的载荷。轴承对其应用的主机的工作性能、寿命、各巧经济指标及可靠性都有很大影响。航空发动机中轴承失效会导致机毁人亡的后果，美国装有TF41发动机的A-7飞机，由于发动机故障引起的18起坠机事故中，有5起是由于轴承损伤所引的。在我国，某机型发动机所用的轴承也接连发生故障，严重威胁飞行安全。由于飞机机械事故中由发动机故障引起的占很大比例，由轴承失效导致飞机失事的比例也是相当大的，目前对轴承的失效进行系统分析非常重要。

在实践中，多数轴承（90％）的寿命比系统本身长，而其他9.5％是由于安全原因被替换，只有0.5％的轴承是由于失效而被替换。这0.5％的轴承失效极其重要，因为在传动系统上安装有很多轴承，而任何一个轴承的失效都可能导致系统停顿。当一条主要生产线因故障停止运行，其损失可能是极其高昂的。非常显然，为使有关部门有能力制订正确的改善可靠性措施，失效分析是极端重要的。

不当的存储、安装、工作环境、润滑类型以及密封等，均会导致失效。如果所有这些条件均是有利的，可以期望轴承具有所预测的寿命。但情况并非总是如此。

据统计，0.5％失效的轴承可以细分为0.17％（34％）的疲劳失效、0.18％（36％）由于润滑不良而失效、0.07％（14％）由污染引起，其余0.08％（16％）由其他原因引起。

2.3.1.1　轴承磨痕形态及表征

检查一个运行过的轴承时，在滚道区可以观察到磨痕形态。该磨痕的表观形态随旋转和载荷状态变化。检查一个已拆卸下的轴承磨痕形态，可以对轴承运行条件有一个比较好的理解。图2-2-1（a）～（d）是正常的磨痕，而图2-2-1（e）～（h）是典型的非正常工作环境导致的短寿命轴承的磨痕。

（a）静止外环，转动内环，静止载荷；（b）静止内环，转动外环，静止载荷；（c）纯轴向载荷，带横向位移量的磨痕指示载荷的量级和轴承的间隙；（d）静止外环，转动内环，静态径向和轴向载荷；（e）静止外环，转动内环，静态载荷，外环对中偏差；（f）静止外环，转动内环，静态载荷，外环发生椭圆变形；（g）纯轴向载荷，依椭圆截断量的大小，可能发生早期轴承失效；（h）静止外环，转动内环，静态载荷，间隙过小（预置载荷）

图2-2-1（a）显示的是一副非常正常的载荷磨痕形态，该磨痕是当轴承内环在轴上的径向载荷作用下旋转时产生的。由于轴承的间隙，仅部分滚珠承载。在正常工作条件下，外面的静止圆环的典型磨痕大约是150°。内圆环是转动件，其每点依次通过承载区。磨痕带的宽度则可显示载荷的量级。图2-2-1（a）～（h）显示了轴承损坏的磨痕情况：①污染物进入滚道并被碾过；②润滑剂的黏度错误；③装配错误；④轴承座的公差错误；⑤温升过高，导致环膨胀并因此造成间隙过小；⑥温升过高导致变色（呈褐色）及软化；⑦可见滑动带，等等。

2.3.1.2　轴承服役环境及性能

由于轴承是在各种服役条件下和不同机械设备中使用的，其工作条件和特点也各不相同，即加载方法、载荷大小、转数、化学物理条件和润滑条件等不同。滚动体在内外套圈的滚道上滚动时，它们相互接触部分承受限高的周期性载荷，有时高达5000MPa，循环次数达每分钟数万。在承载区除了产生弹性变形外，还会产生永久变形。多次重复的变形会引起轴承材料在工作初期首先发生循环软化，后经多次反复变形，逐渐发生循环硬化，其结果是使金属材料弹性和韧性急剧下降，并在较高的周期载荷下迅速萌生疲劳裂结扩展，最后导致轴承零件工作面发生疲劳剥落。

当轴承工作时，若轴承工作面之间存在着相对运动或振动就会产生金属的微动磨损。而磨损的产物又进一步加剧了摩擦，摩擦能使轴承原有的表面层很快磨耗掉，当轴承工作时与周围介质作用，尤其是与盐雾和酸、碱等介质相接触时，很容易生锈和腐蚀，从而加剧了磨损。轴承的使用温度是轴承的一个重要工作条件。使用温度不能超过120℃。如果使用温度过高，不仅对轴承所用的润滑剂性能有很大影响，而且对零件所用材料的金属组织和硬度具有影响，因此也会导致轴承零件尺寸的不稳定性增加，并降低轴承回转精度，甚至造成早期疲劳剥落，使轴承发生早期失效。

轴承的润滑条件是十分重要的。良好的润滑条件不仅可降低轴承内部各零件工作表面的摩擦，还可降低轴承表面的温度上升，防止烧伤和磨损以及对润滑面起防锈作用。

轴承承受冲击载荷或遭受强烈的震动，将导致轴承发生疲劳失效和断裂。

航空发动机所用的轴承具有高速和高温的工作特点，工作的滑动线速度DN值［DN值=轴承内径（mm）×轴转（r/min）］已达2.3×106，轴承使用温度大约在220℃的水平上，由于滑动速度高，保持架定位表面必须具备良好的自滑条件，发动机轴承还采用了喷油润滑，通过流动来达到冷却轴承及润滑的目的。发动机刚开始启动时，当润滑系统发生故障而造成油流中断时，轴承很快损坏，导致发动机损坏。

轴承的额定性能通常是以轴承抵抗滚动接触疲劳的能力为基础而进行评定。轴承的寿命，是指轴承工作面及其在一定的表层下不出现疲劳剥落所能达到的转动次数，或固定转速下的工作小时数。

滚动轴承的寿命分布是相当分散的，相同结构的轴承，在相同的条件下工作，亦有不同的寿命。因此，在滚动轴承寿命的计算中，必须考虑到轴承寿命分散性特点，计算在一定概率（即可靠性）下的寿命。

2.3.1.3　轴承失效模式分类

轴承失效时指在寿命期内失去其应有的使用性能，导致故障或不能正常工作的现象。轴承早期失效是经常发生的，引起失效的原因很多，且错综复杂，如结构不合理、材料质量和性能差、表面存在缺陷、过载、冲击、震动、安装不当、过大的装配预负荷、润滑滑不良、发热或环境温度过高、磨料物质的污染、有害气体、液体自渗入、漏电等因素，均能造成轴承的失效。

轴承失效可分为两大类：止转失效和丧精失效。止转失效是指轴承终止转动而失去其工作能力，止转失效可能导致事故，是控制重点。丧精失效是指轴承因几何尺寸变化，改变了配合间隙而丧失了原来的回转精度，此时轴承虽能继续转动，但属非正常运转。

ISO提出轴承失效可划分为6个主要大类，并划分了子类（表2-2-1），实际轴承失效是几种失效模式的组合。

轴承早期疲劳失效是指滚珠的滚动接触将产生高应力，导致在滚珠间距的局部疲劳。如果不及时采取措施，结构将会沿圆周方向剥离破碎，而根本无法或很难确定初始破坏起因。

（1）亚表面疲劳。轴承运行期间，当套圈转动时，特定的接触点按一定的周期进入承载区，经过最大承载点，然后离开承载区。材料结构依承载、温度和应力交变次数而变化，最后在亚表面发生破坏，如图2-2-2。微裂纹将在表面下0.1～0.01mm出现并扩展，并最后发生剥落。

一旦鳞剥发生，轴承便立即损坏。但是这并不意味轴承无法继续运行。随鳞剥的逐渐增加，机械的噪声和振动也将逐渐增加。在轴承破坏之前，应该对其进行维修。从轴承失效初始至其不能继续使用这一期间的长短，主要取决于工作条件。对高速运行的机器，可能仅有几秒钟。而质量好的低转速大型机器，可能持续数月。应对机器的运行条件给予监测。

（2）表面起始疲劳。源于表面的疲劳基本上是由于表面损害，如图2-2-3。如果不对润滑进行优化，在金属对金属的接触面将是持续的混合润滑或者是边界润滑。所有滚珠轴承在滚珠的接触面都存在一定的滑动。磨损表面将变得光亮或者灰暗而圆钝，在显微镜下可以观察到微裂纹和微小金属碎屑。这样的微裂纹可能源于粗糙的表面以及随后产生的金属碎屑，因而导致微小鳞剥，并最终导致整个表面鳞剥破坏。润滑剂选择错误可以导致缺乏润滑一样的重大失效。极压添加剂，特别是在高温下，具有强腐蚀性，并可能导致金属微观剥离。避免表面损害的最佳方式是增加油膜厚度。

（3）磨损

①磨料磨损。轴承镜面状的滚道表面磨痕产生于轴承润滑不好，意味着轴承运行于混合润滑区。如果润滑剂不能形成油膜，无论表面粗糙度如何变化，表面可以产生毫米量级的磨损而仍如镜面状。避免这种磨料抛光磨损的最佳方式是增加油膜厚度和提高油的纯度。

不良的润滑与重载结合，可能导致快速磨损，其表面磨痕呈波浪状，如图2-2-4。表面将失去光泽。如果润滑失效，保持架可能是第一个损坏的部件。

②黏着磨损。黏着磨损可发生于当滚动部件以高加速度进入承载区时，如图2-2-5。当滚动部件处于卸载区并与环脱离接触时，不受圆环的驱动，各自转速低于它们在承载区的转速。当滚动部件进入承载区时，将突然被加速，并产生严重滑动。较高速度旋转的低载大轴承对这一磨损是相当敏感的。滑动接触产生的热量可能足以使油膜破坏。两金属表面在接触点熔化结为一体，这个过程导致材料从一个表面转移到另一个表面，并留下粗糙表面。最有效的避免黏着磨损的方法是增加油膜厚度并且使用具有更高效率的EP（极压）添加剂的润滑剂、增加轴承承载、采用更小的轴承，或采用混合轴承（用轻的陶瓷球）、采用涂层、少油，等等。

（4）腐蚀

①湿态腐蚀。腐蚀或许是造纸机械轴承失效最常见的原因。在机器的潮湿部分，水在轴承中积累。自由水分在非转动轴承的接近滚动接触面处凝结，并在滚道的滚动件的间距上形成腐蚀区，导致深置锈蚀，如图2-2-6。另一种称为刻蚀的腐蚀，可能由化学腐蚀造成，如高温下的EP添加剂。锈蚀通常导致轴承早期大面积剥离。避免腐蚀的最佳途径是将润滑剂保持在无水状态或远离腐蚀物。

②磨损腐蚀

a.微动腐蚀。由于过松的配合，当轴承套圈和轴或轴承间有相对运动时将产生微动腐蚀，如图2-2-7。磨损产生的小金属颗粒将被氧化，外套圈的内表面或内环孔将出现锈蚀区。已被腐蚀的区域作为裂纹结点导致轴环破裂。

b.伪布氏腐蚀。由于振动而导致的微运动使滚动部件的接触磨损面间产生伪布氏腐蚀。由于磨损和腐蚀的共同作用，在轴承磨损面形成浅磨痕。对转动轴承情况下，浅磨痕呈凹槽状，而在滚珠轴承情况下，浅磨痕呈洗衣板状。伪布氏腐蚀可定义为滚动部件和滚道间的微动腐蚀。由油脂润滑的轴承呈现典型的红褐色浅磨痕，而油润滑的轴承则呈现镜状浅磨痕。图2-2-8中，由于使用了杯状弹簧，轴承间隙中由振动造成的微运动得以避免。

（5）电侵蚀

①过压侵蚀。当电流通过滚动部件和滚道之间的小接触面时，材料被从回火的温度加热至熔化温度。这一过程与电弧焊接过程相似。而在材料熔化的区域，会形成微坑、点蚀。

②泄流侵蚀。与过高电压损伤比较，电流泄漏会造成相邻的浅坑状损伤。经过一段时间，会在材料表面形成凹槽状损伤。

（6）塑性变形

①过载。由超载导致的变形经常是由于不正确安装造成的，即安装冲击载荷施加于滚动部件，如图2-2-9（a）。一旦轴承开始运动，将产生噪声和振动，在压痕处的应力集中处导致鳞剥。如使用正确的工装，所有这一切均可避免，如图2-2-9（b）。

②磨屑压痕。如果润滑剂中有污染物微粒，将极有可能在滚动接触表面引起严重的凹痕。在这些凹痕凸起的外缘附近的应力集中将引起疲劳，并引发过早剥落，如图2-2-10。（a）软屑压痕（棉花）；（b）硬屑压痕（有棱角碎屑）；（c）由污染颗粒导致的局部应力集中；（d）发生在压痕边沿的凸起表面剥离，起始于表面。

在安装过程中保持润滑剂的清洁，并采用适当的密封而避免污染。这些是避免严重表面凹痕损伤的重要措施。

③不当处置压痕。操作引起的凹痕损伤大都产生于滚动部件的局部过载，这将很快导致运行噪声。

（7）断裂

①强制断裂。强制断裂经常是由于轴承安装时不够仔细造成的，由环边沿压痕导致的外环强制断裂，如图2-2-11（a），轴承环可以断成数段，并且引起内环裂纹。不当的公差设置可导致内环在拉伸应力下裂纹的产生，如图2-2-11（b）。当轴承投入运行后裂纹将出现。其中图2-2-11（c）是内环热应力断裂；图2-2-11（d）是由微动腐蚀引发的裂纹。

②疲劳断裂。当超过疲劳强度时，将产生疲劳断裂。初始裂纹将发生扩展，并最终导致整个轴承套圈或轴承保持架裂纹。在不当的轴承支承条件下，在反复变形作用下，轴承转动内环或外环将发生裂纹。即使裂纹发生了显著增长，当观察断口表面时，裂纹的起始点总是可以辨认的。

③热断裂。热断裂是由摩擦热造成的。典型的例子是松动配合的转动轴承内环，受轴向载荷的情况，如图2-2-11（c）。由于轴承侧表面相对于轴肩的滑动摩擦产生的热量，将导致摩擦并最终导致环断裂。有时会在垂直于滑动的方向产生多条裂纹。

实际轴承失效原因的分析是最为困难。一方面当轴承的所在系统或零件发生破坏时，由于轴承组合件的所有相关部件均发生严重碰撞使失效特征或形貌发生严重破坏，给分析工作带来困难；另一方面，在轴承的使用过程中，两种或多种失效机理同时在起作用，且相互影响，在轴承寿命的某一时期中，一种失效模式可能会导致产生其他的失效模式。在特定服役条件下，可能有明显的单一失效机理，但可能呈现出几种破坏机理，要精确加以分析有困难。当不止一种失效机理在起作用时，判断失效不仅决定于对失效部位的细心检查，也决定于对材料的分析以及对轴承的制造、安装和运转情况的全面了解。更重要的是要明确造成不同失效形式的各种原因或条件之间的因果关系。

2.3.1.4　滚动轴承失效的影响因素

造成滚动轴承失效的原因很多，因而轴承失效呈现较多的失效模式。对其准确的判定，在很大程度上取决于对其进行分析以及辨认和区别各种失效模式的能力。在多数情况下，认识有助于确定失效的早期起因并提出适当的预防措施。

导致服役轴承早期失效的单方面的或多方面的主要因素如下所述。除设计上可能不当（包括受力分析、形状、选材以及加工工艺等）外，引起轴承失效还有：不正确的装配、安装时过大的预应力，不适当的润滑、过载、冲击载荷、振动、工作温度或环境温度过高以及磨损物质的污染、有害液体的浸入及电流的作用等。

上述因素导致如下的失效模式：剥落或麻点（滚动接触疲劳）、裂纹或断裂、旋转爬行、黏着、磨损、塑性变形、微动磨损、微动刻槽和腐蚀以及高速轻载打滑。

轴承的寿命并非是无限的。即使轴承在远低于额定载荷、速度和滚滑条件下使用，并且使其免受降低寿命的外部因素的影响。然而，某些作用诸如疲劳、磨损、腐蚀等也终会使其失效。已有的研究表明，作为一个系统看待的滚动轴承，并不具有一般构件材料那样的疲劳极限，也就是说，滚动轴承不存在这样一种最低的交变载荷值，即疲劳极限值。

轴承受到载荷的作用时，在滚动体（滚珠或滚棒）和滚道相接触的部位就会发生弹性变形。虽然看来所涉及的只是压应力，但在表层下方还存在较大的剪切应力和较小的张应力。轴承在运转时受反复剪切应力的作用，最终将导致疲劳裂纹的萌生；同时，随着损伤特征遭到破坏。

2.3.2　齿轮的失效形式及措施

齿轮是机器中传递功率和运动的重要部件。由于齿轮一般无过载保护作用，对传递大功率的航空齿轮，则要求有很高的加工精度和进行良好的安装、否则传动时会出现较大的噪声、振动以及冲击，易于造成动载损伤失效。

传递大功率的航空齿轮的失效常会引起机毁人亡的恶性事故；1985年2月至1986年3月一年中，某型发动机中央传动从动齿轮在飞行中曾先后发生4次二等事故。该齿轮在研制过程中曾经在台架试车中发生断裂失效，由于对该断裂原因与机理没有进行深入系统的分析，因而未采取任何改进措施，在飞行中导致了上述严重后果，教训是深刻的。因此研究和分析齿轮损伤的机制和规律，寻求提高齿轮可靠性的措施，对预防航空装备重大事故的发生有着重大的实际意义。

齿轮失效分为齿断裂和齿表面损伤，如图2-2-12。齿断裂则可进一步分为超载破坏和疲劳破坏。齿表面损伤可大致划分为表面疲劳（点蚀、剥落）、磨损（磨合磨损、磨料磨损）以及胶合（黏着性磨损）。

（1）齿轮服役环境与受力状况。齿轮的工作条件非常复杂，在不同工作条件下使用的齿轮造成失效的特征是不同的。研究齿轮失效的原因、机制及规律并采用相应的预防措施以及进行齿轮设计建立在齿轮所处的工作环境描述。齿轮主要的环境影响因素是润滑、温度及机械稳定性，而这三者又是相互关联的。

齿轮总是在有润滑的条件下工作。在轮齿上润滑是由形成两种类型的油膜来完成的。一种是“边界润滑剂”的反应膜，该膜是由物理吸附或化学反应形成的一种软的且容易被剪切，却难于穿透和从表面除去。另一种是当齿轮迅速接触时，由于润滑油的黏性来不及将油挤掉，而形成所谓“流体静力挤压薄膜”以抑制齿面的直接接触。这种油膜在滚动接触时更易出现，此时与齿面相接触的第一层油膜是不动的或称之为有较大的黏性。该薄膜具有很高的抗剪切强度，且膜越厚，其润滑效果越好。

齿面在一定载荷下接触时，其润滑油的“弹性”应占主导地位，即以弹性抵抗其变形，润滑剂将以弹性而不是以黏性工作，这时油膜将不会破坏，从而能够抑制齿面之间的直接接触，当然也具有较高的抗胶合性能。反之，油膜一旦破坏，齿面之间将会直接接触，引起齿轮发生胶合损伤或麻点剥落。

润滑油的另一个重要功能是散热，因此油膜必须能够使大量的热量散发，以保持齿轮表面温度不致太高，否则连续的高温将使油膜破坏。

润滑剂的污染通常来自两个方面：一方面是由氧化的蒸气和水蒸气组成的大气污染，它具有氧化新磨损表面的倾向，破坏了油的化学性能或在齿轮表面产生腐蚀源。另一方面是更普遍的固体污染。由大气或水引入的砂粒或灰尘是一般的固体污染，更严重的污染来自齿轮系统内部。在齿轮运行过程中，相邻的配合齿轮表面总会出现高速度的局部磨损，产生镗细的金属碎片和磨料进入油中。这些微屑一方面进入两磨损面之间，会使接触表面产生磨粒磨损，另一方面破坏油膜的连续性，使油膜的抗剪切强度大大下降，导致两表面之间的油膜破裂使之直接接触，从而产生所谓的“干磨”。

润滑油具有去除热量的特殊功能，而温度与润滑总是相互关联的。当齿轮工作时，两工作面通过油膜的磨损产生热量，程度升高，将降低润滑油的黏性，并使轮齿上的油膜变薄，剪切强度降低。当油的散热量等于吸热量时，则表面达到平衡温度。

齿轮的工作状态是复杂的，齿轮的失效不仅与它们的相互作用有关，而且与该系统中每一个其他构件的作用和反作用有关。

每一构件都能与它相关构件很好地配合，才能保证齿轮系统的机械稳定性。因此机械加工极其重要，表面粗糙度不仅对它自己有关，而且直接影响与它相关的构件。齿轮的失效分析过程中，应对齿轮系统的对中、偏斜、间隙、啮合定性、齿的特性和尺寸精度等进行认真系统的分析。因为与正常态的一些微小偏差不仅会引起齿轮表面状态的改变而导致受力增大，而且极有可能引起齿接触痕迹从正常中心区域发生变化，从而引起单位面积上作用载荷的剧烈增加。如某型直升机中间减速器螺旋锥齿轮由于齿轮的微小偏差，导致接触痕对施加载荷极为敏感，在使用状态下由于发生偏载使实际载荷增加70％以上，导致齿轮早期开裂。开裂后的齿轮固有频率下降，共振转速随之下降，导致齿轮发生比饺严重的共振。

齿轮工作状态的复杂性还表现在对同一类型甚至同一几何尺寸的齿轮，由于工作条件的不同可能导致严重的断裂失效，在任何传动或动力系统设备中都存在振动，振动是影响齿轮系统机械稳定性乃至失效的一个重要因素。

齿轮啮合传动过程中，外载荷主要表现为主动轮轴上的驱动力矩和从动轮轴上的工作阻力。在轮齿接触瞬间，由其匹配齿施加于一个齿的载荷，大多表现为线接触，且随载荷增加，接触线加长或变宽，接触痕近似为一椭圆。

作用于齿轮上的力基本上可分为6种，如图2-2-13（a），即拉伸、压缩、滑动-剪切、滚动、滚动-滑动以及扭转。然而在齿轮的工作瞬间，经常表现为上述基本力的综合作用。齿根弯曲疲劳是齿轮失效最普遍的形式之一，因此目前齿轮定寿的最主要指标大多是对齿轮的抗弯曲疲劳进行审核。

直齿轮是齿轮中受力状态相对简单的一种齿轮，如图2-2-13（b），当接触齿沿着受载齿齿廓向上运动时，在齿廓接触面的上部产生滑动-滚动作用，在节线处应力是纯滚动的，在节线下部又为滑动-滚动作用，只不过此时的滑动与节线上部的方向相反，在齿的加载侧的根部倒圆半径处存在着拉应力，而在相反的根部半径处为压应力。存在于齿根部倒圆半径处的拉应力是由轮啮合时齿面的法向力。对齿根产生的，是引起齿根处弯曲断裂的主要因素。

齿轮存在的另一个附加的力是齿轮运转时平行于表面的亚表层（距表面约0.18～0.30μm）的剪切应力。在最大剪切应力下的实际深度可能更深，它与配合表面的曲率半径和施加的正切应力有关。亚表面剪切应力常常引起点蚀的产生，同时在表面下的最大剪切应力点处产生表面接触疲劳。对斜齿轮而言，除受到如同直齿轮受到的力外，还在所有接触范围内包括在节线处受到一种由侧向滑动附加的轴向力作用。该力与旋转方向成90°，其大小随斜角度的增加而增加。

在保证强度的情况下，应使航空装备尽可能减轻重量，但有可能发生振动。在实际发动机上也曾出现过齿轮由于振动而造成损坏事故。由于齿轮设计上的进步，齿轮在使用过程中发生典型的共振破坏已比较罕见。由于齿轮在加工制造、安装或使用过程中不可避免地存在偏离设计情况的现象，振动失效仍然是齿轮失效的一种主要模式。齿轮振动大多发生在斜齿轮和伞齿轮上：因其具有轴向分力，该力又是周期变化，可引起齿轮的振动，齿轮发生振动破坏的断口为典型的疲劳断口。

（2）齿轮失效分析与防止措施。齿轮传动是一个集运动学、动力学、结构强度、润滑等为一体的一个特殊系统，因而其失效模式可能是一种，但大多数情况并非一种模式。有时损伤的起源是一种模式，损伤扩展则可能是另一种模式，最终的破坏则可能是第三种模式。对于失效分析工作来说，在大多数情况则是首先分析判断齿轮破坏的模式，然后寻找失效的原因。因此，对失效的基本模式的识别与判断是查出失效原因、提出预防措施的关键。

分别统计分析了1500个和931个齿轮失效案例，其损伤形式及所占比例列于表2-2-2中。表2-2-2中没有把振动疲劳单独列出，这是由于从设计角度已对齿轮在正常工作转速下发生振动疲劳破坏进行了考虑，因而目前大多数文献并不把振动疲劳看成是齿轮失效的初期模式，而是看成在制造或使用时偏离设计、加之设计上对抗振动的裕度考虑不足。同时从表2-2-2也可以看出，齿轮最普遍的失效形式为疲劳、冲击过载以及表面磨损。

如果齿轮失效属于在较大应力下发生的轮齿弯曲疲劳断裂，且具有明显的偏载特征，其失效原因的分析应首先对齿轮的强度进行校核，并对齿轮发生偏载的原因进行分析。计算了在输出功率为220kW和285kW两种状态下强度指标的安全系数，并与国外的计算进行了比较，见表2-2-3。

由上表的计算数据可以看出，国外和我国对在220kW输出功率下齿轮的安全系数计算数据比较接近，根据航标方法对该齿轮在285kW输出功率下的强度计算表明，三个强度的安全系数均偏低，且小于1。

从断裂齿轮的断裂特征及锥齿轮强度指标的安全系数计算来看，该齿轮发生早期破坏的根本原因是该锥齿轮强度明显不足。该锥齿轮原为国外设计生产，服役过程中的尾输出功率为220kW，在313kW下试车21h即认为合格。发展到我国某机上，尾输出功率为285kW，因而试车规范也随之增大。

磨损痕位置的明显偏移，则可能是由于在370kW及400kW功率下该锥齿轮的螺旋角与压力角已不适应。同时在这样大的功率下，较大的轴向力作用于轴承，若轴承选择不合适，也会使两齿轮的轴线位置发生位移，从而导致偏载。

螺旋锥齿轮的破坏属于较为典型的轮齿弯曲疲劳断裂失效，其主要原因是锥齿轮强度指标的安全系数明显不足。

为使齿轮能够可靠地工作，应首先考虑提高齿轮抗弯曲疲劳的能力，若不改变现齿轮的几何参数，则应对该齿轮进行渗碳+喷丸强化的复合强化工艺或对该齿轮进行重新设计。

无论采用上述哪一个方案，均应对与该齿轮相关的构件如轴承等零件的受载条件等进行分析，以判断在该工作条件下的适应性。

齿轮在使用工作过程中发生典型的连续振动疲劳破坏已不再存在，因此导致齿轮破坏的振动疲劳在失效过程中具有双重性，即振动疲劳对齿轮的破坏虽然可以说是原因，但一般总有先于齿轮振动疲劳的某个现象（或某种损伤）发生。

对齿轮安全运行威胁最大的振动为节径型振动，节径型振动破坏的典型特征是具有一定的对称性，即齿轮块发生掉块，两长裂纹相距齿轮总齿数的1/n。振动疲劳裂纹从源区向腹板方向基本上呈直线扩展，而弯曲疲劳则不同。

由于设计上已避免了典型的振动疲劳破坏，实际上出现的齿轮振动疲劳大多出现在某一过渡转速上。振动时应力较大，其裂纹扩展速率（或弧线间距）与裂纹长度之间无一定规律。ISO 10825对齿轮失效模式进行了系统分类。

①齿轮表面干扰指标

a.滑动磨损（实例如图2-2-14），包括轻度磨损、磨料磨损、轻度刮伤/刮痕、过度磨损。

b.腐蚀。弱腐蚀磨损通常是由于添加EP引起的，而添加EP添加剂的目的是在粗糙作用表面之间形成弱腐蚀层而防止胶合。这一腐蚀性层被摩擦破坏，但在摩擦热的作用下会立刻再生。当粗糙表面发生弱腐蚀磨料磨损后，将改善油膜的厚度和粗糙度的比。从而改善弹性流体动力润滑，降低点蚀的危害和胶合引起的失效。

②胶合。当防护润滑剂膜被破坏后，接触温度达到临界值，轮齿将发生胶合磨损。由胶合磨损造成的表面损伤以材料转移和在滑动方向产生不同深度和宽度的沟槽为特征。胶合磨损的发生常伴随摩擦增加和摩擦热，对直齿圆柱齿轮和斜齿轮，胶合磨损通常发生于齿轮的齿尖，或者在齿轮的根部。因为在这些位置，滑动对滚动的比率最高。轻度的胶合磨损会瞬时恢复。胶合磨损可由以下措施防止：如光滑的表面、防止应力集中、在润滑剂中添加EP添加剂等。

③永久变形。在特别高的承载和摩擦下，齿轮可以发生永久变形，而导致齿轮的齿面发生塑性变形。在由滚动和滑动引起的塑性变形条件下，材料发生塑性流动而由节圆向齿尖和齿根流动，并常在齿尖和齿根形成圈状流动痕迹。由于滑-融效应或动态载荷效应，可产生波纹表面，其结果是在垂直于滑动的方向产生波痕状的变形痕迹。

④表面疲劳。始于亚表面的裂纹直齿圆柱齿轮和斜齿轮的表面疲劳以点蚀的形式出现在节圆附近。根据赫兹理论，在节圆附近，主要是滚动，在亚表面的剪应力达到最大值。这种在交变载荷作用下的应力集中，最终将引发亚表面裂纹。亚表面裂纹也可产生于材料夹杂物和碳化物引起的应力集中。

⑤开裂和裂纹。开裂和裂纹可能源于不正确的磨加工过程、不当的热处理、齿轮切割操作中锻件损伤、初始过载引发的裂纹等。在交变应力的作用下，材料中的任何裂纹都会像疲劳裂纹一样发生扩展，尽管其应力远远低于拉伸强度极限。

⑥齿断裂。齿轮齿断裂通常导致传动系统使用的终结。在输入和输出轴之间的传动路径也可能失效。其结果是，齿断裂安全系数应该大于表面损伤安全系数，表面损伤可能导致齿断裂。常见断裂形式有过载断裂、疲劳断裂。

2.4　材料磨损状态检测与控制

磨损是限制传动系统功能和材料寿命的主要因素。运转或者维修过程中对齿轮轴承的磨损状态进行检测，掌握工作状况以便采取有效的维修措施，避免传动系统的突然损坏或发生重大事故。

检测装置采用物理的或化学的检测方法，定期地或者连续地显示传动系统的磨损状态，常用的检测方法有：铁谱分析（将润滑油所含的磨屑进行分离和分析的技术）、光谱分析、润滑油成分分析、润滑状态的分析。

磨损的控制技术措施如下。

（1）齿轮轴承材料设计。高性能材料是提高构件耐磨性的关键，在耐磨损的设计中，根据磨损类型决定材料选择与设计。

（2）润滑。采用润滑技术减小磨损的最有效的办法，而流体动压润滑又大于静压润滑，在润滑油中加入油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，因而能够成倍地提高抗黏着磨损能力。固体润滑剂也是一种有效的减摩手段，尤其是高压、高温真空等普通润滑材料难以胜任的特殊工况条件下，固体润滑剂更是发挥了其独特的减摩抗磨作用，在航空航天等高技术领域获得了重要的应用，解决了一系列特殊工况条件下的减摩抗磨润滑问题。

（3）表面处理。采用多种表面处理和改性方法，如磷化、硫化、氮化、渗碳、离子注入、激光表面改性、表面热处理、表面硬化处理等。采用喷涂的方法在摩擦副表面涂特种干膜润滑材料和用电化学方法在金属摩擦副表面沉积或合成耐磨自润滑材料获得了广泛的应用。

（4）密封结构。密封结构设计防止外界磨粒、灰尘的进入是减少磨损和提高耐磨性的重要方法。

（5）使用维护。润滑管理作为使用维护主要卖手段，对于提高传动系统的运转稳定性和延长使用寿命是至关重要的。

2.5　我国制造工程中齿轮轴承的发展设想、对策与建议

2.5.1　重视轴承齿轮材料基础研究、设计与相关工程技术研发

重视基础技术和相关技术的研究和应用，提高原始创新能力。如SKF的研究中心，对轴承工业涉及的摩擦磨损理论、断裂力学等进行了深入探索；NSK研究中心对轴承的密封与润滑技术、噪声振动理论等都开展了系统研究。同时，比较大的企业集团对与轴承发展的一些相关技术，如新材料技术、表面涂镀层技术、密封结构及性能技术等都列为新课题加以研讨并开发应用，不断推出许多结构新颖的轴承新产品，以满足相关行业的需求。

对于高端轴承齿轮材料，仅仅依靠参照国外的样品就研制开发出所需的材料是不太可能的，也难以在批量生产中保证性能的高度一致性和稳定性。积累足够的基础研究数据，形成成分-组织-性能的控制技术路线。进行关键齿轮轴承材料研制，开展材料标准的预先研究，包括分析国外相关材料的最新标准或相关资料、制定标准草案等，一方面可以为制定相应的材料标准奠定技术基础，另一方面可以规范和促进材料的研制工作。

高端齿轮轴承构件设计应建立在设计、材料与应用技术、制造和使用这四位一体的机制上。深入研究轴承、齿轮钢的材料技术研究以及化学热处理和机械加工等关键技术，完成材料以及构件可靠性设计。提高构件疲劳寿命，满足在役装备的可靠性和稳定性。设计中促进材料应用从“末端治理”向“源头治理”的转变。采用降低能耗、节约资源、环境污染较少的材料与工艺，采用可再生资源和最大限度地利用废弃物资源，实现材料工业的生态化模式和循环经济。

2.5.2　齿轮轴承材料标准化、系统化、通用化与服役性能数据积累

材料的系列化、标准化，不但能为材料的应用、选型提供较大的便利，也为开发适用于不同工况条件的系列化材料提供指导。

根据世界先进国家的经验，以材料类别设立的产品标准都将逐步被工程应用技术要求的标准取代。我国目前2种类型的标准并存，导致出现一品多标的现象，使应用单位和生产企业采用极为不便。我国应当积极转化国际标准并以此为基础，逐步调整、合并重复性标准，使标准体系与国际标准全面接轨。

加快工程材料技术标准体系的建设，促进新材料、新技术、新工艺的推广应用。跟踪国际先进技术发展趋势，积极参与国际标准的制（修）订工作。通过技术标准的修订和提升，淘汰性能落后、可靠性差、污染严重的产品，促进自主创新产品进入国际市场。

2.5.3　轴承齿轮表面处理与表面改性以及构件生产和质量管理

齿轮轴承表面处理技术经常用于对零件表面的处理，延长设备使用寿命。采用表面处理技术可以增加零件使用寿命；改善表面质量、提高生产率；在限制使用润滑剂情况下，起到润滑作用；在普通环境下具有良好的摩擦性能、抗腐蚀、抗黏着作用、控制表面的光学性能。

深化研究化学热处理技术。结合真空渗碳、高压气淬技术，离子氮化技术等先进化学热处理手段，研究渗层结构、硬度及硬度梯度、表层组织等与工艺技术和接触疲劳寿命之间的关系，研究复合化学热处理技术以实现轴承、齿轮构件的表层超硬化和深层化，为接触疲劳寿命大幅度提高奠定基础。深化研究表面改性技术。结合典型轴承、齿轮钢深化研究先进的高能束表面改性方法，如激光冲击强化、超声喷丸等，对渗层残余应力分布、渗层组织、表面形貌和构件尺寸及其稳定性之间的影响（关系），研究复合表面改性新技术，实现表面改性的纳米化与深层化，从而为提高轴承、齿轮寿命提供基础支撑。

2.5.4　加强轴承齿轮维修性技术研究以及工程应用

在航空齿轮轴承设计与使用过程中，维护可以提高可靠性并延长使用寿命而是必不可少的。维护在设计阶段形成而不是进行周期性的检修中，系统的维护或安装要求基本确定。传动系统都配有清晰的使用维护说明书，减少能源的消耗，降低摩擦损耗。维护工程包括三个方面：①在设计阶段，当齿轮轴承部件确定以后，确定维护；②系统中需要维护的齿轮轴承部件应较为容易实现；③设计测量点和润滑油采样点。根据齿轮轴承的工况监测，及其所提供的可能失效的工况信息、轴承齿轮有效性能时间预测等。

以发动机为主要应用对象维修性关键技术无法完全满足短期内迅速扩张的其他领域，科技工作者需要开展维修性关键技术的多层次需求研究，开展产业培育。

2.5.5　高性能轴承齿轮寿命评价与考核试验

深入研究轴承齿轮极端的环境、复杂的载荷和失效机理，现有的寿命预测方法研究都只是针对在普通工况下齿轮轴承材料或构件，未能达到实现机械重大装备整机寿命预测的水平，需加大力度针对机械重大装备的实际服役工况进行实用有效的机械重大装备寿命预测技术的研究。同时采取技术措施和政策措施以规范行业行为，确保齿轮轴承系统的寿命、安全性、可靠性。齿轮轴承材料环境损伤行为研究的最终目的是对构件在使役环境下的寿命进行预测和延长其使用寿命。

2.5.6　轴承齿轮材料及构件检测技术及其工程应用

检测技术应用在齿轮轴承材料研制、零部件设计与研制、产品生产制造到装备系统服役的完整过程的各个阶段。提供理化检测、无损检测、力学性能表征等全面的检测、分析技术，为产品研制和质量控制以及寿命确定和延寿提供技术保障深化研究机械加工与检测技术。采用先进表面质量的检测技术，如残余应力在线检测技术等，研究机械加工工艺对渗层表面形貌、残余应力的影响，研究不同硬化方式、表面改性方法与先进机械加工工艺技术之间的衔接关系，以形成机械加工技术、化学热处理技术、表面改性技术的有机结合。

2.5.7　轴承齿轮材料及构件技术及其标准体系

开展轴承、齿轮钢技术体系研究。实现与技术创新的同步。要积极采用国际标准和国外先进标准，对一些已经形成一定规模并制定了企业标准的轴承齿轮材料，在适当时机可将这些企业标准上升为行业标准甚至国家标准，同时归并整合现有同类材料标准，减少标准数量，统一重要的基础性关键技术指标，扩大标准的覆盖面和有效性，提高标准质量。企业是市场竞争的主体，自主创新是企业生存发展的动力，企业应成为标准的主体。

2.5.8　建立轴承齿轮材料及构件失效控制系统，保证高品质齿轮轴承材料和构件性能稳定性

发展基础件材料的现代设计、工艺和加工制造技术。加大技术改造投入力度，提升材料制造数字化、自动化、智能化和绿色化水平，采用节能、降耗、清洁的生产方式，提高材料利用率和生产效率，全面提高基础件材料性能水平。

2.5.9　基于齿轮轴承材料失效体系的全寿命与经济性管理

通过学习借鉴先进经验和结合国内企业的实际情况建立材料使用的全寿命管理和成本体系，建立完善的材料使用管理机制。运用该体系合理确定性能指标、安装调试过程、运行阶段日常维护、维修、检查和定期检修。该体系可以降低密封材料及其制品的生产成本，增强产品的性能，减少安全事故的发生率，最大限度延长使用寿命，对我国制造工程的安全生产起到保驾护航的作用，同时对于环境的保护和可持续发展有重要的意义。