聚合物輸送用齒輪泵斷齒失效分析

張旭東 楊林杰 曹延軍 周晨光 孔陽陽

（鄭州機械研究所有限公司）

聚合物輸送用齒輪泵作為擠出系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備， 在介質(zhì)輸送過程中具有增壓、穩(wěn)壓、控制壓力波動從而降低制品的尺寸公差、減少擠出機的能耗等作用［1］。 因此，齒輪泵的運行狀況直接關(guān)系著生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

某公司于2020年11月投入使用3套擠出系統(tǒng)，該擠出系統(tǒng)包括擠出機、齒輪泵及過濾器等設(shè)備。2021年2月和4月，3#生產(chǎn)線擠出機出現(xiàn)螺桿調(diào)整墊斷裂、部分脫落，螺桿上螺塊外緣受到磨損，齒牙損傷的情況。 兩次調(diào)整墊斷裂都伴隨著后續(xù)工序中輸送用齒輪泵輪齒出現(xiàn)斷裂情況。 事后經(jīng)調(diào)取設(shè)備各項參數(shù)運行趨勢圖察看，發(fā)現(xiàn)齒輪泵在損壞前無異常信號且運行平穩(wěn)， 因此，筆者針對上述現(xiàn)象進(jìn)行失效分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀斷口檢驗

斷齒失效的齒輪軸如圖1所示， 由圖1a可以看到兩根齒輪軸的一側(cè)齒發(fā)生了嚴(yán)重的斷齒（圖1b）。

圖1 斷齒失效的齒輪軸

經(jīng)對齒輪軸和斷齒進(jìn)一步的觀察分析可知：

a. 齒輪損壞的形式主要是斷齒，斷裂方向與齒輪軸軸線有一定夾角，從齒頂?shù)烬X根，最終在齒根處發(fā)生斷裂（圖2）；

圖2 齒輪軸斷齒部位

b. 斷裂齒輪表面和斷齒均有異常擠壓的痕跡（圖3）；

圖3 斷齒受擠壓變形狀態(tài)

c. 未發(fā)生損壞的齒輪，齒面無異常接觸磨損 痕跡。

如圖4所示， 由于齒輪斷面附著一層工作介質(zhì)且無法清洗，所以無法利用掃描電鏡進(jìn)行斷口的微觀形貌觀察。 從宏觀方面對斷口進(jìn)行分析，判斷輪齒的斷裂形式屬于脆性斷裂。

圖4 齒輪斷口宏觀形貌

1.2 材料化學(xué)成分檢測

金屬的化學(xué)成分組成在很大程度上決定了材料的各項性能，因此可采取一定的技術(shù)方法對材料成分進(jìn)行分析， 從而監(jiān)控零部件的產(chǎn)品質(zhì)量，同時也能夠為零部件的失效原因提供參考［2］。在失效齒輪上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分檢測分析，檢測結(jié)果見表1。 由表1可知，失效齒輪的材質(zhì)符合GB/T 1220—2007 中 對9Cr18MoV 材 料 的 要 求。9Cr18MoV作為較常用的一種不銹鋼，用于制造工作在腐蝕環(huán)境、強氧化氣氛中的零部件，經(jīng)過退火、再結(jié)晶退火、淬火及回火等一系列熱處理工藝，使其馬氏體組織具有較高的硬度和較強的耐蝕性。

表1 齒輪軸的化學(xué)成分

1.3 硬度及金相組織檢驗

硬度作為衡量金屬材料彈性、塑性及強度等力學(xué)性能的一項綜合指標(biāo)， 體現(xiàn)了抵抗彈性變形、塑性變形或者破壞的能力［3］。在斷齒上進(jìn)行取樣，依據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》采用硬度計對齒輪試樣的齒面硬度和心部硬度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2，檢測結(jié)果均符合技術(shù)要求。

表2 齒輪試樣硬度檢測結(jié)果

金相組織檢驗主要是應(yīng)用金相學(xué)方法來檢查金屬材料的宏觀和顯微組織，對金屬和合金成分、性能的分析提供重要依據(jù)，通過金相檢驗?zāi)軌蚴志唧w地分析出材料結(jié)構(gòu)、成分和性能這三者之間的聯(lián)系［4］。筆者進(jìn)行金相組織檢驗的目的，一方面是為了判斷齒輪軸的熱處理工藝是否正常，另一方面能夠根據(jù)齒輪軸失效部位上的裂紋特征和裂紋兩側(cè)的顯微組織來判斷出裂紋的性質(zhì)，有利于研究人員在生產(chǎn)制造過程中對材料顯微組織和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的確定和控制，從而得到理想的材料性能。

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對齒輪進(jìn)行取樣，經(jīng)過磨制、拋光和浸蝕后，利用金相顯微鏡觀察節(jié)圓表面、齒根表面、心部和斷口位置， 圖5為對應(yīng)4個部位的顯微組織形貌。

圖5 齒輪試樣顯微組織形貌

觀察檢測部位的金相組織照片， 分析得9Cr18MoV的4個檢測部位的金相組織均為隱針馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀二次碳化物和塊狀共晶碳化物。 隱針馬氏體通常為在生產(chǎn)中快速加熱或快速冷卻條件下而得到的小到無法用光學(xué)顯微鏡分辨的馬氏體［5］。 殘留奧氏體是淬火過程中未能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而保留下來的奧氏體，少量的殘留奧氏體能夠提高材料的強度和韌性，但是過多會顯著降低材料的耐磨性能。 細(xì)小的顆粒為材料在高溫冷卻時奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變前析出的碳化物。 白色塊狀為共晶碳化物，這種金相組織使該齒輪具有較高的強度、耐蝕性。

通過對齒輪的金相組織進(jìn)行內(nèi)在質(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)在齒輪熱處理后塊狀共晶碳化物存在輕微聚集，這種聚集情況在齒輪受力時可能會引起局部應(yīng)力集中問題。

2 分析與討論

通過分析聚合物輸送用齒輪泵的工作原理和實際工況，結(jié)合斷裂齒輪的宏觀和微觀斷口形貌，分析輪齒斷裂的原因主要是齒輪泵在傳遞介質(zhì)時，介質(zhì)中存在堅硬的異物（螺桿調(diào)整墊破損件）， 導(dǎo)致主動輪與從動輪之間嚙合過程中齒輪受到擠壓，產(chǎn)生極大的應(yīng)力從而導(dǎo)致斷齒。

齒輪斷齒的具體過程如下：螺栓或硬物掉入螺桿傳動中， 使得擠出機螺桿調(diào)整墊發(fā)生斷裂、部分脫落， 脫落物隨著設(shè)備的運轉(zhuǎn)混入介質(zhì)中，由于未及時發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行清理，脫落物隨介質(zhì)進(jìn)入齒輪泵的齒輪嚙合處，導(dǎo)致齒輪泵主動齒輪與從動齒輪在嚙合時有堅硬的異物卡死在齒輪嚙合面，隨著輪齒不斷嚙合而使其表面受到擠壓變形，由于齒輪齒面硬度和心部硬度相同，且硬度較高，韌性較差，齒輪泵輸入端的扭矩持續(xù)增加，最終齒面受到的應(yīng)力超過了齒輪的抗剪切屈服強度極限，在受彎曲應(yīng)力最大的部位——齒根處發(fā)生脆性斷裂，即斷齒，最終導(dǎo)致輸送用齒輪泵設(shè)備失效，整個擠出系統(tǒng)停機檢修。

3 結(jié)論及建議

經(jīng)分析可知，擠出系統(tǒng)中的螺桿調(diào)整墊斷裂導(dǎo)致脫落物隨介質(zhì)輸送到齒輪嚙合處，導(dǎo)致嚙合面受到應(yīng)力產(chǎn)生擠壓變形，超過了抗剪切屈服強度極限，輪齒發(fā)生脆性斷裂而停機。 此外，材料內(nèi)部存在輕微聚集的塊狀共晶碳化物也會使齒輪在嚙合過程中引起局部應(yīng)力集中從而加速導(dǎo)致齒輪泵的失效。

建議加強設(shè)備的巡檢與維護(hù)工作，加強對員工的操作技能培訓(xùn)，注意觀察各零部件的危險部位；根據(jù)實際生產(chǎn)工況采用材質(zhì)更優(yōu)的螺桿調(diào)整墊從而避免再次發(fā)生斷裂； 完善齒輪熱處理工藝，避免塊狀共晶碳化物的聚集。

聚合物輸送用齒輪泵出現(xiàn)的故障原因較多，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中需從多個方面進(jìn)行綜合分析并加以實驗驗證，為聚合物輸送用齒輪泵斷齒失效分析提供了寶貴的案例， 具有重要的現(xiàn)實意義。