減速機(jī)齒輪軸的斷裂失效分析

張 杰 張世旭 趙旭東

煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司

減速機(jī)齒輪軸的斷裂失效分析

張 杰 張世旭 趙旭東

煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司

減速機(jī)齒輪軸在安裝調(diào)試中發(fā)生異常開(kāi)裂，經(jīng)宏觀觀察、掃描電鏡及光學(xué)顯微鏡分析后發(fā)現(xiàn)，齒輪軸局部出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，開(kāi)裂面擴(kuò)展方向與軸向呈45°，齒尖處裂紋尾端組織有冷形變特征。這些特征說(shuō)明齒輪軸開(kāi)裂是安裝不當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載導(dǎo)致的。調(diào)試過(guò)程中，齒輪軸因運(yùn)轉(zhuǎn)受阻出現(xiàn)過(guò)載，當(dāng)過(guò)載超過(guò)其許用應(yīng)力時(shí)，齒輪軸開(kāi)始發(fā)生少許變形，進(jìn)而在應(yīng)力集中部位開(kāi)裂，并沿與軸向呈45°方向擴(kuò)展從而導(dǎo)致失效。

減速機(jī)；疲勞斷裂；失效分析

齒輪減速器廣泛用于礦山、冶金、石油、化工、電力、建材、水利、環(huán)保、國(guó)防等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。它的主要傳動(dòng)零件是齒輪、軸、軸承，三者之間相互聯(lián)系相互影響，隨著時(shí)間的推移，三者中任何一零件的失效，將引起其他零件的失效，從而降低減速器使用性能，縮短整機(jī)壽命。因此對(duì)傳動(dòng)零件引起的其他零件的失效進(jìn)行研究，分析產(chǎn)生的原因，采取有效措施并加以改進(jìn)顯得十分重要。

1 失效原因分析

1.1 軸的失效

在附加載荷作用下，軸的撓度和扭轉(zhuǎn)角增大，將引起彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增加，加快軸的疲勞失效，隨著時(shí)間的推移，造成軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。同時(shí)，軸頸和軸承內(nèi)圈形成邊緣接觸式運(yùn)轉(zhuǎn)，接觸面積減小，加快軸頸的磨損。

1.2 軸承引起的失效

齒輪減速器使用的軸承為滾動(dòng)軸承，主要失效形式有疲勞點(diǎn)蝕、磨損和塑性變形。疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸處受脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的作用產(chǎn)生的；磨損是滾動(dòng)體和內(nèi)外圈相互摩擦運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)蝕剝落下來(lái)的金屬微粒進(jìn)入摩擦表面、潤(rùn)滑不良等原因造成的；塑性變形是軸承受過(guò)載或過(guò)大的沖擊載荷，使軸承元件永久變形產(chǎn)生的。

1.3 斷口原因分析

帶式輸送機(jī)使用中，用來(lái)輸送物料，物料從料斗中掉落在帶式輸送上，所以帶式輸送機(jī)載荷一直是在變化的，同時(shí)帶式輸送機(jī)因工作需要隨時(shí)停止和啟動(dòng)， 存在重載啟動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員調(diào)查測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)其他同批帶式輸送機(jī)安裝存在問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)軸安裝同心度存在超差。結(jié)合試驗(yàn)，該高速軸工作時(shí)除受到扭力外，還受到由于安裝不同心造成的較大旋轉(zhuǎn)彎曲力，同時(shí)存在重載啟動(dòng)現(xiàn)象。致使該軸受到較大的額外應(yīng)力，在表面過(guò)早產(chǎn)生疲勞裂紋源，隨著時(shí)間的推移，該軸在工作中受到不斷變化載荷影響，疲勞裂紋不斷擴(kuò)大，直至最終斷裂。

2 系統(tǒng)性分析

2.1 常規(guī)分析

引起齒輪碎裂和軸斷裂的常見(jiàn)原因有齒輪及軸設(shè)計(jì)不合理、強(qiáng)度不夠、加工質(zhì)量存在缺陷、材料選用不當(dāng)或熱處理質(zhì)量不合格等，一般情況下齒輪碎裂后不會(huì)引起軸斷裂，而如果軸斷裂后，齒輪傳動(dòng)失去束縛，往往導(dǎo)致齒輪碎裂，所以初步判軸因某種原因先發(fā)生斷裂，軸斷裂后齒輪傳動(dòng)一端失去束縛，傳動(dòng)過(guò)程中發(fā)生跳動(dòng)磕打?qū)е慢X輪碎裂。

2.2 逐項(xiàng)排查

(1)設(shè)計(jì)因素。該產(chǎn)品是成熟設(shè)計(jì)，之前未發(fā)生過(guò)類(lèi)似問(wèn)題，且廠內(nèi)相同產(chǎn)品在使用5年內(nèi)沒(méi)有發(fā)生過(guò)類(lèi)似故障，排除設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題。(2)加工精度。對(duì)齒形、齒側(cè)間隙等進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示齒輪加工精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。(3)潤(rùn)滑質(zhì)量。對(duì)齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油進(jìn)行油質(zhì)檢測(cè)，除油質(zhì)內(nèi)含有齒輪碎裂金屬物質(zhì)外，油質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。(4)裝配質(zhì)量。拆除齒輪箱輸入、輸出聯(lián)軸節(jié)，對(duì)齒輪輸入、輸出軸進(jìn)行手盤(pán)檢驗(yàn)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，無(wú)任何滯澀現(xiàn)象，排除齒輪箱因裝配精度、軸承等問(wèn)題發(fā)生齒輪斷裂。(5)金相檢查。測(cè)量齒輪表面、心部硬度并進(jìn)行金相分析，排除熱處理質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致齒輪碎裂。(6)驅(qū)動(dòng)皮帶張力檢查。發(fā)現(xiàn)皮帶安裝過(guò)緊，皮帶張力超過(guò)安裝要求。

2.3 皮帶張緊力

雖然皮帶張緊力超出允許值，但皮帶張緊力主要由軸承支承受力，齒輪軸斷軸部位在兩支承軸承內(nèi)，可以排除皮帶張緊力因素。

3 分析與討論

分析可知，齒輪軸材質(zhì)符合要求，原材料中雖有1.5級(jí)硫化物夾雜，但符合技術(shù)要求。齒輪軸經(jīng)滲碳淬火回火后，有效硬化層深度符合要求，且硬度梯度較好。齒輪軸表面組織為針狀馬氏體和殘留奧氏體，組織有回火不足現(xiàn)象，殘留奧氏體含量較多。適量的殘留奧氏體能提高滲層的韌度和接觸疲勞強(qiáng)度，改善嚙合條件，擴(kuò)大接觸面積，但殘留奧氏體過(guò)量，常會(huì)伴隨馬氏體針狀組織粗大，導(dǎo)致表層硬度下降，耐磨性降低。由于殘留奧氏體為不穩(wěn)定組織，易導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生變化，增大畸變量。殘留奧氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體量雖少，但卻會(huì)使鋼的脆性明顯增大。對(duì)不同承載能力的滲碳件，殘留奧氏體應(yīng)有一個(gè)最佳范圍，通常認(rèn)為殘留奧氏體量在20%(體積分?jǐn)?shù))以下是允許的。

齒輪軸經(jīng)熱處理后殘留奧氏體含量大于30%，造成齒輪軸畸變?cè)龃?，在校?33齒輪軸時(shí)發(fā)現(xiàn)多根齒輪軸畸變量較大，超過(guò)了0.50mm(熱處理后軸類(lèi)零件的畸變量通常在0.30mm左右)。校直工序采用全自動(dòng)冷校直方式，在校直較大畸變量時(shí)，需要增加校直次數(shù)，齒輪軸在校直過(guò)程中反復(fù)受力，造成較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí)，造成齒輪軸脆性斷裂。

由于齒輪軸熱處理后畸變量較大，反復(fù)校直過(guò)程中導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大，造成斷裂。建議優(yōu)化433齒輪軸的熱處理工藝，適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間，控制齒輪軸熱處理后的畸變量。將現(xiàn)有畸變量較大的齒輪軸采用熱校直的方式進(jìn)行校直，減小應(yīng)力集中，避免斷裂。

結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，齒輪減速器傳動(dòng)零件相互引起的失效不是獨(dú)立出現(xiàn)的，而是多種失效同時(shí)存在于工作過(guò)程。因此減速器使用過(guò)程中，要加強(qiáng)工作人員的責(zé)任心，嚴(yán)格落實(shí)減速器操作、使用維修等制度，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和出現(xiàn)的失效現(xiàn)象按照不同種類(lèi)認(rèn)真分析和判斷，找出失效產(chǎn)生的主要原因并及時(shí)排除和進(jìn)行維護(hù)，這樣不僅能延長(zhǎng)減速器傳動(dòng)零件的使用壽命，而且也能提高生產(chǎn)效率，保障安全生產(chǎn)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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