聚丙烯擠壓造粒機齒輪箱齒輪開裂原因分析

劉燕山

（福建古雷石化有限公司生產技術部，福建漳州 363214）

1 概況

2016 年8 月，某公司聚丙烯裝置一線擠壓造粒機組齒輪箱齒輪發生損壞故障。該機組一直運行平穩，故障發生前出現規律的敲擊聲，幾天后解體檢修發現齒輪箱齒輪開裂。

該齒輪箱為國外進口，于2009 年10 月投用。2013 年12 月大修期間更換了所有滾動軸承，并對齒輪進行著色檢查，未發現異常。

該擠壓造粒機組年產量33 萬噸，機組設計運行8000 h/a，運行方式為連續運行，允許短時間停工加料。機組裝機功率9460 kW，實際運行扭矩75%，最高90%。斷裂的齒輪沒有單獨的圖紙，齒輪的基本尺寸：外徑1300 mm，內孔直徑380 mm，厚度380 mm。

2 分析樣品

分析樣品見圖1，經檢查齒輪上的一個齒（圖1）存在開裂現象，裂紋長約340 mm。

圖1 分析樣品

3 結果分析

3.1 宏觀分析

齒輪斷齒所在部位見圖2a，齒的一端面有穿透裂紋（圖2b），另一端面未見裂紋。齒兩側面均有裂紋，裂紋表面有金屬脫落現象，其一側裂紋一端位于齒頂，長約340 mm（距齒端部約38 mm）；另一側裂紋的一端位于齒根，長約319 mm（距齒端部約61 mm）。齒輪其他齒未見開裂、點蝕和明顯磨損現象。

圖2 斷齒部位及裂紋宏觀形貌

3.2 化學成分分析

對齒輪取樣進行化學成分分析，分析結果見表1。除碳含量偏低外，其他元素滿足DIN EN 10250-3 中對34CrNiMo6 的化學成分要求。

3.3 室溫拉伸試驗

對齒輪取樣進行室溫拉伸試驗，試驗結果見表2。試驗結果顯示齒輪材料強度較高。

3.4 沖擊試驗

對齒輪取樣進行沖擊試驗，試驗結果見表3。

選取圖3 中“1”部位和“2”部位進行金相觀察，組織均為馬氏體，晶粒細小。其形態略有差異（圖4）。

3.6 硬度測試

對金相試樣進行硬度測試，測試部位見圖5，測試結果見表4。齒輪近外表層（A，B，C）處的硬度615.2～624.9 HV，而其他部位（D，E，F，G，H，I）處硬度341.4～431.2 HV，表層硬度比其他部位硬度高約200 HV，說明齒輪做了表層硬化處理。

3.7 斷口分析

3.7.1 宏觀斷口分析

根據斷裂齒嚙合面和非嚙合面裂紋尺寸，裂口寬度及金屬破碎情況判斷，啟裂部位應靠近嚙合面側，并接近于齒長的中部位置。

表1 化學成分分析結果 w%

表2 室溫拉伸試驗結果

表3 沖擊試驗結果

將斷裂齒斷面分離后觀察斷口宏觀特征（圖6），發現斷面復雜，大小不一，臺階較多。但從斷面的擠壓及多數具有扇形斷面及貝殼紋特征，可以斷定斷口由多源疲勞斷裂形成。除疲勞斷面外，斷口上發現一處冶金缺陷。根據斷口整體宏觀輪廓及冶金缺陷所處位置判斷，冶金缺陷處應為最早引發疲勞開裂的疲勞源。

3.7.2 微觀斷口分析

圖3 金相組織的觀察部位

圖4 金相組織

圖7 為齒輪斷齒斷口微觀形貌。由于受到疲勞過程中長期碾壓，使斷裂面擠壓磨損嚴重，但總體上還是表現出疲勞斷口的一些典型微觀形貌特征。

3.8 能譜分析

對齒輪裂紋部位及鋼中夾雜物進行X 射線能譜分析（表5）。分析結果表明，裂紋內塊狀或圓狀均與齒輪基體性質相同，屬線切割形成的金屬顆粒。齒輪夾雜物主要為脆性氧化物類（氧化鎂和氧化鋁），局部有塑性硫化錳夾雜。

4 失效原因分析

輪齒折斷有多種形式，正常情況下主要是齒根彎曲疲勞折斷。因為在輪齒受載時，齒根處產生的彎曲應力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力集中作用，當輪齒重復受載后，齒根處就會產生疲勞裂紋并逐步擴展，致使輪齒疲勞折斷。此外，在輪齒受到突然過載時，也可能出現過載折斷或剪斷。但該機組電機有過載保護，可以排除過載的發生。

失效齒輪斷裂從嚙合面節線附近啟裂，以約45°角向另一齒面疲勞擴展，裂紋擴展到齒厚度中心區域時轉為平斷口擴展一定程度后再轉向45°方向，最終在齒根處穿透。齒輪斷裂具有以下主要特征：

（1）齒輪材料化學成分、力學性能基本正常。

（2）裂紋貫穿齒厚，但未發生斷裂，也未見明顯塑性變形。

（3）多源、多臺階斷面、表面有金屬脫落。

（4）表面未見明顯的齒面磨損、變形及點蝕現象。

（5）開裂部位未見無結構或加工造成的應力集中。

圖5 齒輪硬度測試位置

表4 硬度測試結果

圖6 配對斷口宏觀形貌

查閱齒輪箱運行檢修記錄，此次開裂的齒輪為原裝齒輪，開裂前已累計運行約56 000 h。2013 年12 月齒輪箱檢修中更換了所有滾動軸承，齒輪著色檢查未發現異常。期間齒輪箱振動記錄未發出報警信號，未出現振動超標現象。機組運行期間電機電流穩定，齒輪箱未出現過載現象。

綜合分析認為，機組正常運行過程中，可排除運行中異常工況波動引起齒輪開裂的可能性。由于材料內部缺陷誘發疲勞裂紋，在疲勞裂紋擴展過程中有不斷在應力集中處萌生新的疲勞裂紋，多個疲勞源同時擴展并不斷匯合，最終造成齒輪齒開裂。

圖7 斷口微觀形貌

5 建議

（1）加強對制造廠制造過程的質量監控，確保設計制造過程數據、制造工藝的準確性。

（2）做好擠壓造粒機日常運行維護，定期化驗齒輪箱油品并做鐵譜分析，及時發現油品異常情況。

（3）合理制定擠壓造粒機檢修周期，在機組長時期高負荷或滿負荷運行情況下，應適當縮短機組的檢修間隔時間。

（4）機組大修期間，由于磁粉監測無法監測齒輪內部缺陷，應采用新的TOFD（Time Of Flight Diffraction，衍射時差法超聲檢測）監測技術，該檢測技術比常規超聲波監測可靠性高25%～30%，準確率達到80%～95%。

表5 金相試樣X 射線能譜主要元素分析結果