地鐵列車從動齒輪表面裂紋產生原因

吳建華, 李平平, 梁雪冬, 王 群, 吳飛虎, 劉德華

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011)

在對某地鐵列車進行架修時，檢修人員發現一件從動輪齒輪表面發生局部剝離現象，接著對全齒輪表面進行滲透檢測，結果發現齒輪表面存在裂紋，且在檢修過程中并不存在齒輪箱缺油的現象。該地鐵列車從動齒輪的材料為20CrNi2Mo鋼。

齒輪常見的疲勞失效模式主要包括齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞，其中齒面接觸疲勞是閉式齒輪的主要失效形式，又表現為疲勞點蝕和剝落[1-3]。另外，硬齒面處的磨削燒傷也越來越引起生產方和科研工作者的關注[4-6]。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該從動齒輪宏觀形貌如圖1所示，首先對其進行形位公差和齒形齒向檢查，結果未發現明顯異常。齒面形貌顯示幾乎所有齒面(兩側)均平行分布著大量裂紋；齒面正常部位的加工紋理呈波紋狀，略顯粗糙。

圖1 某列車從動齒輪宏觀形貌

1.2 磁粉檢測

對該從動齒輪進行磁粉檢測，結果如圖2所示，由圖2可知，所有齒面(兩側)均存在平行分布的磁痕。

圖2 從動齒輪的磁粉檢測結果

1.3 酸洗檢查

為了確保待檢齒輪不被酸液腐蝕而影響后續的檢查結果，對齒輪進行半齒輪酸洗，即將齒輪懸吊，一半浸入酸洗，另一半暴露在空氣中，相當于只對半個齒輪進行酸洗檢查。酸洗后的齒輪宏觀形貌如圖3所示，由圖3可知：所有齒面均有不同程度的燒傷，其中一側齒面除齒頂修緣處外，其余部位全部燒傷；另一側齒面燒傷程度相對較輕，更加集中于齒根側。

圖3 酸洗后的齒輪宏觀形貌

1.4 化學成分分析

該從動齒輪的化學成分分析結果如表1所示，齒輪的材料符合技術要求。

表1 從動齒輪的化學成分 %

1.5 金相檢驗

為了進一步確認齒面是否存在燒傷特征，并判定燒傷的嚴重程度，以及燒傷與裂紋類缺陷之間的關系，在齒輪的不同區域線切割取樣，在光學顯微鏡下觀察，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：齒輪為全齒面燒傷，且燒傷范圍非常明顯。裂紋類缺陷均產生于燒傷區，但燒傷程度較輕且未燒傷區無裂紋。

圖4 齒輪燒傷微觀形貌

在從動齒輪上隨機切取兩個齒塊進行金相檢驗，結果如圖5～7所示，由圖5～7可知：齒輪裂紋均萌生于齒面，裂紋局部呈斷續狀，當裂紋擴展至一定深度后，轉向與齒面平行擴展，為典型的接觸疲勞裂紋特征；所有裂紋深度均小于1 mm，裂紋轉向深度約為0.4～0.7 mm，該處恰好為最大切應力處，再次證實裂紋為接觸疲勞產生；正常區域節圓表面組織為針狀回火馬氏體+少量貝氏體+殘余奧氏體，齒根表面存在深度約為20 μm的非馬氏體組織，心部組織為馬氏體+貝氏體；裂紋附近齒面存在深度小于2 μm的白亮層組織，裂紋兩側未見氧化和脫碳現象，組織仍為回火馬氏體，但回火溫度偏高，具體表現為裂紋附近的耐腐蝕能力較低，馬氏體針狀特征不明顯和硬度偏低。

圖5 裂紋的微觀形貌

圖6 節圓燒傷區微觀形貌

圖7 正常部位微觀形貌

1.6 硬度測試

對從動齒輪正常部位的節圓和齒根處，以及燒傷區進行顯微硬度測試，結果如圖8所示。由圖8可知：正常部位節圓和齒根處的硬度梯度較為平緩，表面硬度合格，硬化層深度滿足技術要求。燒傷區的“低硬度區”深度約為0.4～0.7 mm，這與裂紋擴展深度吻合較好；齒輪的表面硬度約為52 HRC，遠低于技術要求(≥58 HRC)。

圖8 硬度測試曲線

2 綜合分析

根據上述結果可知，齒面裂紋的性質為接觸疲勞裂紋，這是因為齒面過度回火造成其強度和硬度下降。現場并未發現齒輪箱缺油，因此可排除齒面因缺油而造成的干摩擦，這點也可從主動齒輪保存完好得到證實。在干摩擦情況下，一般接觸頻率更高的主動齒輪將優先發生齒面失效。再結合從動齒輪生產工藝及同批次產品對比排查，最終確認該從動齒輪失效的根本原因是磨齒工藝不當造成磨削燒傷。

文獻[7]對因磨削造成的齒面硬度下降而引發的接觸疲勞開裂的原因進行了較為深入的研究和探討，指出接觸疲勞裂紋產生的根源是剪切應力與齒面強度二者之間的關系，剪切應力與齒輪承載設計、工況等直接相關，而齒面強度則與表面硬化方式有關，滲碳、氮化、感應是軌道交通用齒輪最為常見的3種齒面硬化方式，各有利弊，不管哪種硬化方式均是根據具體的服役工況而定的。在硬齒面齒輪產品的制造過程中，往往更多地關注了齒面的硬化工藝，而對后續的磨削加工等有所忽視，陳國民[8-9]對磨削導致的齒面硬度變化進行了闡述。

從動齒輪裂紋一旦露頭于齒面，潤滑油將滲入裂紋面并在齒輪的嚙合作用下形成高壓油腔，加快了裂紋的擴展與剝落的過程[10]。

3 結語與建議

(1) 從動齒輪的所有齒面均存在不同程度的燒傷。

(2) 齒面裂紋的性質為接觸疲勞裂紋。

(3) 開裂均發生在燒傷程度較為嚴重的齒面上。

(4) 建議嚴格把控磨齒工藝，制定作業指導書，及時關注試樣的檢測結果，有效預防磨削燒傷現象的發生。