減速機高速齒輪軸斷裂失效分析

孟繁盛

摘 ?要：減速機是現代企業生產過程中用途比較大的一種機械設備，如果發生故障付給企業生產帶來嚴重損失。某企業在生產過程中減速機高速齒輪軸出現了斷裂現象，針對這一問題相關技術人員進行了專業的檢測與分析后，確定了故障原因，進而制定了相應的解決處理措施，恢復了減速機的性能。

關鍵詞：減速機;高速齒輪;斷裂;檢測;故障

某生產企業所用減速機高速軸突然產生早期斷裂現象，通過現場查看可知，電機和減速機間的耦合器均已完全脫離，且殼體破碎，其它和這一高速軸一同參與運轉的齒輪軸，均在事故產生之后發生不同程度的彎曲變形。此高速軸屬于典型的齒輪軸，發生斷裂后齒面依然保持完好，未發生變形與斷齒。現圍繞這一減速機高速軸實際情況，對其斷裂失效作如下深入分析。

1對高速齒輪軸斷裂情況進行檢測

1.1減速機高速齒輪的基礎資料

基礎資料的收集是進行減速機高速齒輪軸斷裂檢測工作的重要基礎，對后續檢測工作的正常開展，以及得到準確的檢測結果均有重要作用和意義，應引起相關人員的重視。此次研究的主要對象為3C710NE型減速機，其速比、輸入功率和輸入轉速分別為1：2.034、710kW和741r/min。根據生產單位提交的相關工藝圖紙，其硬度需要達到59-62HRC的要求[1]。

1.2對齒輪成分的檢測

對于該減速機，其高速齒輪軸以17CrNiMo6鋼為主要原材料，在取樣后，用光譜測定儀與碳硫儀進行成分含量測定，測定結果為：碳含量0.18%、錳含量0.57%、硅含量0.27%、磷含量0.011%、硫含量0.003%、鉻含量1.73%、鎳含量1.55%、鉬含量0.28%。通過對相關資料的查證可知，該原材料為德國牌號，成分方面的技術要求為：碳含量在0.15～0.19%范圍內、錳含量在0.40～0.60%范圍內、硅含量在0.15～0.40%范圍內、磷含量不得小于0.025%、硫含量不得小于0.025%、鉻含量在1.50～1.80%范圍內、鎳含量在1.40～1.70%范圍內、鉬含量在0.25～0.35%范圍內。通過對比可知，該件硫、磷等元素含量滿足技術要求[2]。

1.3對主要夾雜物的檢測

取樣后將其加熱到900℃，恒溫保持45min之后，隨爐冷卻處理后金相制樣觀測，并和現行標準進行對比與綜合評價。經評價，該件夾雜等級為1，可以滿足技術要求。

1.4對主要力學性能檢測

為對該件原材料各項力學性能進行檢測，通過線切割制得拉伸試樣與沖擊試樣。其中，拉伸試樣屬于非標準形式的板狀試樣，其截面面積為4mm×10mm;而沖擊試樣則屬于U型缺口形式的試樣。

從測試結果中可以看出，該件原材料在熱處理后，通過和相關資料的比對，在所有力學性能當中：塑性指標相對較好，有較強沖擊韌性，且斷裂極限處在正常狀態，但屈服極限指標相對較低。采用經驗公式，可對疲勞極限進行估算，結果為424.4MPa。此外，在軸鍵槽的根部，其半徑相對較小，有應力集中現象，承擔極大拉應力，若未對其進行有效處理，將產生疲勞裂縫，最終導致早期失效[3]。

1.5HRC檢測

對軸內截面與外柱面進行取樣檢測，其結果為：外柱面的硬度分別為35、33.5、38、37、37、36.8、37、35.8，平均值為36.2;內截面分三個區域，截面邊緣的硬度分別為34.5、33.0、33.3、33.9，平均值為33.7;過渡區域的硬度分別為34.5、34.0、36.0、34.5、35.5，平均值為34.9;截面心部的硬度分別為36.0、36.0、36.0、37.5、38.0，平均值為36.7。從以上結果可以看出，該件硬度為35-38HRC，未能達到要求，即59-62HRC，而且和其它相關資料提出的要求也有很大差距。

2減速機高速齒輪軸斷裂宏、微觀分析

2.1宏觀分析

宏觀分析是指人員利用肉眼對高速軸進行觀察，根據自身經驗確定高速軸基本情況，找出異常和特征處所在。雖然斷口的擦傷破壞已經十分嚴重，但在從斷裂特征可以看出，并不存在在發生斷裂前有較大塑性變形現象的痕跡，在宏觀特性方面，可將其定義成脆性斷裂。對件進行取樣測試后得知，屈服極限相對較低，但塑性指標與沖擊韌性卻依然良好，而斷裂過程中，韌、塑性并未充分體現，說明疲勞斷裂和斷裂特征完全相符，無法支持瞬間斷裂。通過對斷口的觀察，可發現其具有顯著的疲勞斷裂特點，即疲勞貝紋線，而疲勞貝紋線的所在區域就是裂紋主要萌生區。

2.2顯微組織分析

對件的表面與心部進行取樣觀察和分析，處在軸表面和心部的組織并無本質上的差別，這說明表面上不存在進行過熱處理的痕跡。基于此，還對顯微硬度進行了檢測，同樣未能發現明顯差異。

2.3顯微硬度檢測

對件外表面上的橫截面進行取樣檢測，從檢測結果可以看出，件表面、心部和過渡層三部分的顯微硬度沒有明顯差異，不存在進行過熱處理的痕跡。

2.4微觀分析

微觀分析是指利用專門的儀器對高速軸上肉眼無法觀察的部分進行仔細分析。在實際的分析過程中，為驗證件的疲勞特性，對斷口實施分截與切割，對處在裂紋區域的部位實施掃描分析，由此可以觀察到塑性疲勞條紋，說明該件失效于疲勞斷裂。

3減速機高速齒輪軸斷裂失效原因與處理

通過細致、全面的斷口分析，此減速器高速軸發生的斷裂，在方式上主要為疲勞斷裂，同時斷口上存在若干疲勞裂紋源。除此之外，對該件所用原材料各項性能進行檢測，檢測結果顯示其屈服極限相對較低，并對件的硬度進行檢測，未發現此件有進行過熱處理的明顯痕跡，也未能達到預期的硬度要求，表面強度難以達到規范要求，導致在表面和鍵槽等處產生一定數量的疲勞裂縫源，縮短其使用壽命，最終產生疲勞破壞。需要注意的是，此高速軸屬于典型的齒輪軸，發生斷裂后，齒面依然保持完好，未發生變形與斷齒，同時也不支持瞬間斷裂。其它和這一高速軸一同參與運轉的齒輪軸，均在事故產生之后發生不同程度的彎曲變形，推測產生在高速軸發生疲勞斷裂以后，與之相連的耦合器殼體由于離心力相對較大而被直接甩出的過程當中。與此同時，在發生破壞的具體過程中，液力耦合器外殼和高速軸的斷面產生一定擦碰擠壓作用，致使斷口出現嚴重的破壞，但被取走的部分，由于在殼軸套中得以有效保護，所以未發生嚴重破壞。

4結論

通過以上分析，可得出下列結論：

（1）此減速器高速軸發生斷裂的主要方式屬于多源式疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，通過觀察，主裂紋源產生在鍵槽上的受力面;

（2）通過檢測，減速器高速軸主要原材料各類成分含量與夾雜物含量及級別都能滿足現行技術規范和標準的具體要求;

（3）經檢測，此減速器高速軸表面硬度僅有35～38HRC，而內部硬度也只有36～38HRC。對于表面硬度，未能滿足生產方提出的必須達到59～62HRC的具體要求，同時也未能檢測到在表面采用了硬化層，說明其硬化處理不到位;

（4）此減速器高速軸的所有力學性能當中，僅屈服極限相對較低，此軸鍵槽根部處于工作狀態時，將承擔很大的拉應力，且這一拉應力為集中分布形式，若未對其進行及時有效的處理，則將在此處產生疲勞裂紋，導致此減速器高速軸徹底失效。

參考文獻

[1]蘇發龍.減速機高速齒輪軸斷齒及斷軸分析與對策[J].中國設備工程，2017（21）：129～131.

[2]李運生，樓天明，許安心.回轉窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸分析與對策[J].浙江冶金，2014（01）：27～31.

[3]馬醇三，孫潤冬，王曉明，邱開慧.F1軋機減速箱高速齒輪軸斷齒分析[J].中國設備工程，2013（05）：37～39.