離心式壓縮機齒輪斷裂原因分析與預防措施

□ 鄭博士 □ 馬小明 □ 鄭志軍 □ 閆莉丹

華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 現場情況

離心式壓縮機作為重要的流體輸運裝置,適用于輸送各類氣體,廣泛應用于鋼鐵、煉油、石化等領域[1]。齒輪傳動系統是離心式壓縮機的核心部件,并且是運動和動力傳遞的重要組成部分。在周期交變載荷條件下,齒輪容易發生疲勞斷裂失效。齒輪疲勞斷裂主要包括齒面疲勞剝落、齒根彎曲疲勞,以及不同振動形式的疲勞開裂[2-3]。齒輪的疲勞壽命直接影響離心式壓縮機的使用壽命[4],一旦齒輪系統發生故障,輕則影響生產,重則造成人員傷亡和財產損失。

某鋼鐵廠一臺離心式壓縮機在投運13個月后由于振動異常導致聯鎖停機。經檢查發現,離心式壓縮機傳動機箱的兩個齒輪發生斷齒失效。這臺壓縮機為四級單程離心式壓縮機,介質為干燥氮氣,額定功率為9 300 kW,入口壓力為535 kPa,排氣壓力為2.73 MPa,電機轉速為1 485 r/min。離心式壓縮機安裝、維護、在線監測記錄顯示,這臺離心式壓縮機在安裝維護過程中未發現異常。在線監測發現,齒輪安裝后一段時間內由于軸承間隙增大導致齒輪振動增大。在排除問題后,離心式壓縮機正常使用,直到發生聯鎖停機。為分析齒輪斷裂的原因,防止類似事故重復發生,筆者進行了失效分析,并提出預防措施。

2 材料理化檢驗

齒輪系統是影響離心式壓縮機動力學性能的關鍵,通過齒輪間的耦合作用,使離心式壓縮機各級轉子成為相互影響、相互制約的整體[5]。發生斷齒失效的齒輪如圖1所示,失效齒輪為離心式壓縮機傳動系統的兩個從動齒輪。

2.1 斷口宏觀形貌

斷齒失效的兩個齒輪存在差異,齒輪宏觀形貌如圖2所示。1號從動齒輪的52個齒,齒中部均發生不同程度的斷齒,斷齒長度范圍為15～37 mm,大部分斷齒斷口較大且不平。部分斷齒從齒面中部開始斷裂,齒根處存在明顯的擠壓痕跡,疑為先斷的齒脫落的金屬碎屑被擠壓所致。20號齒斷裂位置在齒根過渡圓角處,過渡圓角處由于幾何形狀突變,造成一定程度的應力集中[6]。斷裂由工作面根部向另一側擴展,呈現挖根狀輪廓[7]。斷口表面較平坦,存在明顯的裂紋源區、擴展區、瞬斷區,并且表面可見疲勞貝紋線,由此判定20號齒最先發生了齒根彎曲疲勞斷裂。2號從動齒輪共有40個齒,其中6個齒發生斷裂,斷齒長度范圍為25～130 mm。未斷齒中間位置的齒頂和齒根均存在不同程度被擠壓磨損變形的情況。齒頂的摩擦痕跡寬度約為15 mm,齒頂受到擠壓變窄,齒根受到擠壓后部分區域發生凹陷,齒面硬化層翹起。40號齒斷面存在可見的表面剝蝕坑。

▲圖1 斷齒失效齒輪

2.2 斷口微觀形貌

采用丙酮溶液超聲清洗斷齒失效齒輪的斷口樣品,干燥后置于掃描電子顯微鏡下,觀察齒輪斷口微觀形貌,如圖3、圖4所示。由圖3可見,1號從動齒輪20號齒斷口積聚在齒根應力集中位置的痕跡致密,表明該位置為裂紋源區。在斷口存在疲勞臺階和局部擴展痕跡,進一步表明1號從動齒輪20號齒在齒根處發生了彎曲疲勞斷裂。由圖4可見,2號從動齒輪6號齒斷口較大,有明顯的撕裂特征,斷口邊緣區域存在表面點蝕坑;在瞬斷區可見河流花樣形貌,表明這一區域具有脆性斷裂特征。

▲圖2 斷齒失效齒輪宏觀形貌

2.3 化學成分

通過采用Optik-01L0017型直讀光譜儀和QL-HW2000B型高頻紅外碳硫分析儀對兩個斷齒失效齒輪樣品進行化學成分分析,分析結果見表1。由表1可知,兩個斷齒失效齒輪的化學成分符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中40CrNi2Mo合金結構鋼的要求[8]。

▲圖3 1號從動齒輪20號齒斷口微觀形貌

▲圖4 2號從動齒輪6號齒斷口微觀形貌

表1 斷齒失效齒輪化學成分分析結果

2.4 金相組織

兩個斷齒失效齒輪的熱處理工藝為850 ℃淬火后經600 ℃回火,再進行調質處理。分別在兩個斷齒失效齒輪的心部和邊緣制取金相試樣,金相組織如圖5所示。圖5顯示,兩個斷齒失效齒輪主要金相組織為回火索氏體,齒輪邊緣位置晶粒不均勻,且存在明顯偏析;偏析帶組織為回火托氏體,碳含量相比正常組織偏高,導致硬度偏高;同時帶狀組織影響了材料的均勻連續性,使齒輪的性能產生明顯的各向異性[9],造成材料的塑性、韌性降低。比較同一斷齒失效齒輪的心部和邊緣金相組織,可見齒輪心部偏析相比齒輪邊緣更嚴重。相比2號從動齒輪,1號從動齒輪的偏析帶更為粗大、明顯,硬度差別更大,導致1號從動齒輪的綜合力學性能低于2號從動齒輪。

2.5 力學性能

按照標準GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》要求[10],對斷齒失效齒輪母材分別制備拉伸、沖擊、扭轉、硬度試樣,進行相應的力學性能測試,力學性能測試結果見表2。將表2數據與標準GB/T 3077—2015對40CrNi2Mo合金結構鋼的要求對比,可知兩個斷齒失效齒輪試樣的拉伸試驗屈服強度和抗拉強度不滿足標準要求,塑性和韌性指標也低于標準要求。測試結果表明,2號從動齒輪的整體性能優于1號從動齒輪。

表2 斷齒失效齒輪力學性能測試結果

對兩個斷齒失效齒輪沖擊試樣斷口進行掃描電子顯微鏡觀察,如圖6所示。由圖6可見,1號從動齒輪的沖擊試樣斷口形貌為韌窩與扇形花樣形貌相間分布,2號從動齒輪的沖擊試樣斷口僅有韌窩形貌,說明1號從動齒輪存在組織分布不均勻問題,導致力學性能不均勻。

對兩個斷齒失效齒輪軸橫截面進行硬度測試,以齒輪軸截面幾何中心為原點,向外成散射狀選取硬度測試點,測試結果如圖7所示。由圖7可見,1號從動齒輪軸橫截面布氏硬度(HB)在251～360之間,2號從動齒輪軸橫截面布氏硬度(HB)在276～361之間,兩個斷齒失效齒輪的硬度均呈現從中間向邊緣逐漸提高的趨勢,并且局部硬度不均勻。齒輪心部硬度過低,易使心部產生塑性變形,進而使齒輪表面硬化層抗剝落性能及齒根抗疲勞性能降低。齒輪心部硬度過高,會降低齒輪的抗彎曲性能[11-12]。由測試結果可知,除硬化層外,兩個斷齒失效齒輪的硬度均高于標準要求,齒輪抗彎曲性能較低,容易發生齒根彎曲疲勞斷裂。

▲圖5 斷齒失效齒輪金相組織

▲圖6 斷齒失效齒輪沖擊試樣斷口形貌

3 斷裂原因綜合分析

由上述檢驗結果可知,這一離心式壓縮機齒輪斷口具有齒根彎曲疲勞斷裂特征。1號從動齒輪20號齒齒根過渡圓角處在長期交變應力的作用下,工作面一側產生裂紋。由于齒輪材料自身存在組織缺陷,塑性韌性差、硬度偏高,齒輪的抗彎曲性能較差,促使裂紋萌生和擴展,最終導致齒輪斷裂。在20號齒發生斷裂后,產生的金屬碎屑隨著齒輪傳動在其它齒輪上發生磨損和擠壓,使1號從動齒輪的其它齒發生斷裂。同時部分碎屑附著在主動齒輪上,在主動齒輪與2號從動齒輪的嚙合過程中使2號從動齒輪磨損,導致2號從動齒輪斷裂。與兩個從動齒輪相比,主動齒輪轉速較低,因此在聯鎖停機之前未發生斷齒,但是存在明顯的擠壓痕跡。

4 預防措施

筆者通過對斷齒失效齒輪進行宏微觀形貌分析、化學成分分析、金相組織觀察、力學性能檢驗,得到以下結論:斷齒失效齒輪發生了齒根彎曲疲勞斷裂,裂紋起源于1號從動齒輪20號齒齒根過渡圓角處;在長期交變應力作用下,齒根工作面一側萌生微裂紋;明顯的偏析帶回火托氏體和大小不均勻的晶粒促使裂紋擴展,最終導致齒輪發生斷裂。

為防止類似事故再次發生,提出預防措施。應優化齒輪結構設計,選取最合適的齒根圓角半徑,優化表面硬化處理工藝。嚴格控制齒輪的熱處理工藝,確保材料的力學性能滿足標準要求。嚴格控制齒輪的加工工藝,確保齒輪表面和過渡圓角處的表面粗糙度滿足標準要求。同時加強表面質量檢驗,加強在線狀態監控,嚴格執行檢修程序,提早發現設備缺陷,并采取預防性措施。

▲圖7 斷齒失效齒輪硬度測試結果

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