機車齒輪斷裂失效分析
2008-01-01 00:00:00胡傳芳
現代商貿工業 2008年1期
摘 要：電力機車齒輪在運行過程中有時會突然發生斷裂，通過對斷裂的齒輪進行化學分析、硬度檢測、金相等分析，表明齒輪的斷裂主要是由于在調質淬火時操作不當，造成齒輪過渡層組織組不正常，在彎曲應力的作用下，發生疲勞斷裂。
關鍵詞：齒輪；應力；失效分析
中圖分類號：TG457.25文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）01-0290-02
1 引言
電力機車在運行過程中有時會發生從動齒輪斷裂事故，而與從動齒輪相匹配的其他零件基本完好無損。電力機車從動齒輪采用材質為42CrMo，圖號為：TXJ3-61-21-101-1。齒數Z=87，法面模數mn=10，端面模數ms=11。其主要生產工藝為：下料——模鍛——粗加工——調質——精加工——中頻淬火——回火——精磨等。按規定齒表面硬度應該達到HRC52-58，淬硬層深度2-4mm。
2 理化檢驗
2. 1 宏觀檢驗
從斷裂齒輪的宏觀上檢驗，整個破損實物有較嚴重的扭曲變形，齒面有燒傷、變形、碾壓、剝落和磨損等痕跡，尤其是斷口附近的幾個齒磨損較嚴重，齒高僅為12mm左右，如圖1所示。
齒輪斷于齒根處，斷面平齊，無明顯的塑性變形，呈銀灰色，斷口為典型的疲勞斷口，裂紋源區只有一個疲勞源，位于距齒端35mm，距齒根約2mm處，經10倍放大鏡觀測，疲勞源產生于次表面；裂紋擴展區呈現典型的貝殼狀花紋，貝紋線平滑，間距較小，并且擴展區較大；瞬時破斷區位于裂紋源對面，且面積較小，約占整個斷面的15%。如圖2照片所示：
2.2 化學分析
按照相關規定取樣，對斷裂齒輪進行化學分析，結果如表1：
2. 3 硬度測定
按照GB230-83洛氏硬度試驗法的規定對失效齒輪的心部、齒頂、齒根和齒節等部位分別進行洛氏硬度的測定，結果為：心部：HRC22-25；
齒頂：HRC53；
齒根：HRC52；
齒節：HRC53。
2. 4 金相分析
（1）取樣、制樣。
在位于斷裂齒輪實物斷口附近處切割解剖，在疲勞源附近采用DK7725B1-1型電火花線切割機切取金相試樣。
（2）試樣的侵蝕。
試樣經磨光及拋光后，在5%硝酸酒精溶液中侵蝕，分別對淬硬層、過渡層及心部進行檢驗，并且從齒輪離裂紋源較遠的部位切取試樣，作為對比。
（3）夾雜物分析。
按照GB/T1222-1984的規定，試樣經過拋光后進行夾雜物的分析，結果為：
夾雜物粗系2級，細系2級。可見，夾雜物在允許的范圍內。
（4）淬硬層分析。
沿齒輪齒面及齒根處淬硬層均為3mm，組織為回火馬氏體。
（5）齒根淬硬過渡層。
由表面向內分別為馬氏體、索氏體加屈氏體加鐵素體。如圖3，而在作為對比的其他未斷的齒處淬硬層中組織為回火馬氏體，過渡層組織為馬氏體、索氏體。
圖3 過渡層組織 200× 5%硝酸酒精溶液侵蝕
（6）心部組織。
齒輪心部及齒根心部組織均為索氏體加屈氏體加少量鐵素體。如圖4的照片所示：
圖4 心部組織 500×5%硝酸酒精溶液侵蝕
3 受力分析
當機車運行時齒輪嚙合，不僅僅是一對輪齒在嚙合，各對輪齒嚙合的狀態不同，另外，輪齒嚙合時不僅有相對的滾動，而且還有相對的滑動。所以決定每個齒的具體受力情況是非常復雜的，因此我們針對齒輪的斷裂情況作簡要的分析，作為圓柱形齒輪傳動的作用力主要為：齒輪端面分度圓上的額定圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fx、垂直于齒輪接觸線的法向力Fbn等。具體的計算方法見參考資料。從宏觀斷口的形貌分析，瞬時破斷區位于疲勞源對面，說明導致齒輪斷裂的主要應力是彎曲應力，疲勞源位于齒根應力集中處（應力集中系數最大處）齒根的彎曲應力 σbc為：
σbc=6phfcosωbs2f=pbm=yB
式中:m——模數（mm）；
B——齒寬（mm）；
Sf——最弱斷面齒厚（mm）;
hf—— 拋物線梁長度 （mm）;
P——齒面法向載荷；（公斤）；
ω——齒輪中心線和齒面載荷作用線夾角的余角；
yB——應力齒形系數。
可見，齒輪模數、齒寬及齒面法向載荷等都對齒根處的彎曲應力有影響，實際上除了基礎應力以外，齒輪嚙合狀態、載荷性質、齒輪大小以及齒圈與ZG25輪心過盈配合產生的應力等因素也對齒根處的彎曲應力大小有影響。在這些因素的共同作用下，齒輪運轉時，產生了彎曲疲勞載荷。另外，在系統啟動及加速時，還會產生彎曲沖擊應力。
4 分析討論
根據以上的檢驗結果表明，該齒輪的斷裂屬于典型的早期疲勞斷裂。理化檢驗分析表明，該材料的化學成分合格，材料的非金屬夾雜物也合格，齒輪各部位的硬度均在合格的范圍內，淬硬層的金相組織也是合格的，惟有過度層及心部組織中有鐵素體及屈氏體的存在，而疲勞源正好產生在過渡側層內。機車在啟動、加速等情況下容易在齒根的應力集中處產生較大的沖擊過載及連續過載，在強度極限較低的過渡層中萌生了疲勞裂紋源。受力分析表明，齒輪在正常的運轉過程中，受到多種因素的影響，受力十分復雜，但在齒根應力集中處，主要是彎曲疲勞應力起決定性的作用，觀察疲勞裂紋的擴展區，可見，疲勞紋間距較小，非常細密，由此可見，裂紋在擴展過程中，所受的力并不是很大，由于裂紋擴展區的組織中含有鐵素體、屈氏體等，并且組織不均勻導致材料抵抗裂紋擴展的能力下降。齒輪瞬時破斷區位于裂紋源對面，并且，瞬時破斷區的面積較小，因此，可以斷定，齒輪在斷裂時的應力也并不大。齒輪斷齒以后，由于齒輪系統不能正常嚙合，受力不均勻，局部應力過大，造成其他齒的扭曲變形、燒傷、拉傷等。
5 結論
綜合上述分析，齒輪材質為42CrMo鋼，在正常調質后的組織為回火索氏體，具有優良的綜合機械性能，而該齒輪在調質淬火時加熱溫度偏低，或加熱時間較短，并且在冷卻時，局部冷卻不足，導致出現屈氏體和鐵素體，盡管在回火后硬度合格，但其綜合機械性能與正常組織相差較大，在沖擊過載和連續過載的情況下，在齒根過渡層中產生了疲勞裂紋源，隨著齒輪的不斷運轉，在交變彎曲應力的作用下，裂紋沿最大應力方向擴展，當有效工作面積減小到不能承受外力時，發生瞬時破斷。斷齒后，由于齒輪不能正常嚙合，因而造成其它齒的連續破壞。
6 建議
（1）嚴格執行熱處理工藝，確保齒輪均勻加熱和冷卻，保證足夠的加熱溫度和時間，保證冷卻速度大于臨界速度。
（2）嚴格執行組裝工藝，減小由于組裝不良引起的附加應力。
（3）機車運行時，注意避免突然的起停，加速要均勻。
參考文獻
［1］ 陳南平，顧守仁，沈萬慈.機械零件失效分析［M］.北京：清華大學出版社，1988.
［2］會田俊夫.圓柱齒輪設計［M］.北京：中國農業機械出版社，1983.
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