壓裂泵傳動(dòng)小齒輪失效機(jī)理研究

◇四川宏華石油設(shè)備有限公司 羅權(quán) 易文君 胡亮 謝梅英 覃浩

本文從技術(shù)角度對(duì)齒輪裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入分析和認(rèn)真查找，對(duì)齒輪傳動(dòng)副的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)重新進(jìn)行了分析計(jì)算、斷口理化分析以及仿真分析等，通過(guò)對(duì)比分析，最終確定小齒輪裝配過(guò)盈量偏大、加熱溫度過(guò)高導(dǎo)致齒廓硬度不足是造成小齒輪裂紋萌生及擴(kuò)展斷裂失效的主要原因。在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格控制加熱溫度和過(guò)盈量之后，小齒輪正常使用，未再出現(xiàn)失效問(wèn)題。

頁(yè)巖氣是指主要以游離和吸附方式賦存于富有有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖以及其它巖性?shī)A層中的天然氣，常常需要采用水力壓裂的方式進(jìn)行開(kāi)采。進(jìn)行壓裂作業(yè)的壓裂泵，其設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性是完成作業(yè)的關(guān)鍵。目前壓裂施工作業(yè)中，所采用的壓裂泵逐漸從傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向采用更加節(jié)能環(huán)保的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的提高，目前已出現(xiàn)了3000HP、5000HP、6000HP、7000HP等高功率型號(hào)[1-3]，徹底突破了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)功率的限制。由于施工作業(yè)壓力越來(lái)越高，設(shè)備功率和連桿力越來(lái)越大，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到了前所未有的挑戰(zhàn)[4-5]。本文針對(duì)大功率壓裂泵現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的傳動(dòng)小齒輪裂紋進(jìn)行了失效分析。通過(guò)調(diào)查齒輪的使用工況，對(duì)齒輪進(jìn)行解剖分析，通過(guò)宏觀及微觀斷口形貌觀察和理化性能、金相等檢測(cè)，結(jié)合裝配分析，找出了主要原因，提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施。

1 問(wèn)題描述

2019年該型壓裂泵在頁(yè)巖氣平臺(tái)作業(yè)期間，兩臺(tái)壓裂泵在施工過(guò)程中出現(xiàn)扭矩波動(dòng)異常，齒輪護(hù)罩有白煙冒出，左護(hù)罩玻璃炸裂，拆開(kāi)后檢查發(fā)現(xiàn)其小齒輪裂紋斷裂。其破壞形式如下：裂紋為貫穿式裂紋，從齒根一直擴(kuò)展到內(nèi)錐面，存在一處斷齒。

圖1 小齒輪破壞照片

通過(guò)對(duì)設(shè)備傳動(dòng)鏈相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修，從VFD、電機(jī)、齒輪、曲軸、潤(rùn)滑系統(tǒng)、輔助設(shè)備等依次篩查，最終確定故障點(diǎn)就在齒輪副。齒輪副存在明顯裂紋，是設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行的直接原因。

2 原因分析

為了徹查齒輪裂紋失效的原因，從設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、裝配環(huán)節(jié)、使用工況等方面逐一進(jìn)行梳理排查[6-7]。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)分析復(fù)查，對(duì)失效齒輪的斷口分析，材料理化性能檢測(cè)、裝配過(guò)程分析等途徑的深入分析和認(rèn)真排查，最終確定小齒輪錐面過(guò)盈量取值偏大、加熱裝配溫度過(guò)高是造成小齒輪裂紋萌生及疲勞斷裂的主要原因。

2.1 設(shè)計(jì)分析

根據(jù)壓裂泵的結(jié)構(gòu)，參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，其原動(dòng)機(jī)為電機(jī)，經(jīng)常啟動(dòng)，屬于輕微沖擊，工作機(jī)為多缸柱塞泵，與多缸活塞泵同屬于往復(fù)泵，按照手冊(cè)推薦屬于輕微沖擊，使用系數(shù)取值為KA=1.35，在該使用工況下齒輪強(qiáng)度滿足要求即可。傳統(tǒng)壓裂泵齒輪的設(shè)計(jì)，使用系數(shù)一般取值1.5校核，并采用小齒輪滲碳淬火、大齒輪感應(yīng)淬火的熱處理方式。

齒輪在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用專業(yè)齒輪設(shè)計(jì)軟件，應(yīng)用漸開(kāi)線圓柱齒輪疲勞強(qiáng)度計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算校核，其中傳動(dòng)類(lèi)型為減速傳動(dòng)，齒輪嚙合類(lèi)型為外嚙合，螺旋角類(lèi)型為雙斜齒。不允許齒面點(diǎn)蝕，小齒輪采用滲碳淬火鋼，總設(shè)計(jì)壽命為36000小時(shí)。其他參數(shù)采用軟件默認(rèn)設(shè)置[8-9]。通過(guò)軟件計(jì)算，齒輪彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF=2.283，最小完全強(qiáng)度安全系數(shù)SFmin=1.6，理論強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足使用系數(shù)KA=1.5的校核，齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

排除設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響之后，進(jìn)一步考慮齒輪裝配應(yīng)力對(duì)其齒輪根部的影響。實(shí)際產(chǎn)品中，壓裂泵小齒輪與電機(jī)軸采用過(guò)盈裝配傳遞扭矩，過(guò)盈配合產(chǎn)生的齒根初始應(yīng)力對(duì)齒輪強(qiáng)度的影響，究竟有大多，目前國(guó)內(nèi)各種資料文獻(xiàn)并沒(méi)有找到一種確定的計(jì)算方法，借鑒《曲軸齒輪靜動(dòng)載復(fù)合工況下彎曲應(yīng)力及安全系數(shù)的計(jì)算》文獻(xiàn)中采用的計(jì)算方法，將過(guò)盈裝配產(chǎn)生的齒根初始應(yīng)力與工作載荷作業(yè)下的齒根彎曲應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值求和作為齒根彎曲總應(yīng)力來(lái)校核[10]。工作載荷下的齒根彎曲應(yīng)力，按最大負(fù)荷來(lái)計(jì)算是恒定的，因此在工作負(fù)荷恒定的前提下，裝配產(chǎn)生的初始應(yīng)力一定程度上直接決定了齒輪齒根部位最終的應(yīng)力大小。

過(guò)盈裝配的受力較為復(fù)雜，可采用有限元分析的方法，來(lái)分析實(shí)際過(guò)盈裝配過(guò)程中齒輪根部的應(yīng)力大小。壓裂泵小齒輪與電機(jī)軸采用過(guò)盈裝配，通過(guò)對(duì)小齒輪內(nèi)表面加壓的方式，使得其產(chǎn)生0.25mm的變形量來(lái)模擬過(guò)盈裝配。通過(guò)對(duì)小齒輪進(jìn)行三維建模，如圖2所示。通過(guò)對(duì)內(nèi)表面施壓、對(duì)端面進(jìn)行位移約束，對(duì)分析模型施加邊界條件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11-12]，如圖3所示。

圖2 小齒輪三維分析模型

圖3 小齒輪模型加載與網(wǎng)格劃分示意圖

壓裂泵小齒輪與電機(jī)軸采用過(guò)盈裝配，通過(guò)對(duì)小齒輪內(nèi)表面加壓的方式，使得其產(chǎn)生0.25mm的變形量來(lái)模擬過(guò)盈裝配，經(jīng)過(guò)分析此時(shí)小齒輪根部應(yīng)力大小為233.61MPa，疊加工作載荷下齒根計(jì)算應(yīng)力194.6MPa，齒根彎曲總應(yīng)力大小為428.21MPa，小于小齒輪材料的許用彎曲疲勞強(qiáng)度485MPa。因此采用0.25mm的過(guò)盈量裝配，小齒輪在強(qiáng)度和裝配過(guò)盈量等參數(shù)理論設(shè)計(jì)上是滿足要求的。

圖4 小齒輪過(guò)盈有限元分析

2.2 斷口分析

為更好的尋找齒輪失效的原因，需要對(duì)樣品進(jìn)行斷口分析。通過(guò)宏觀觀察：小齒輪典型的裂紋位于螺旋齒的末端，通過(guò)取樣觀察斷口，發(fā)現(xiàn)斷口上存在明顯的貝紋花樣即疲勞弧線，斷口呈現(xiàn)為典型的疲勞斷裂斷口形貌，如圖5所示。

圖5 斷口局部圖

將斷口清洗后進(jìn)行掃描電鏡分析，分析結(jié)果顯示：疲勞源區(qū)嚴(yán)重磨損，疲勞的擴(kuò)展區(qū)能觀察到疲勞擴(kuò)展留下的疲勞輝紋，未觀察到孔洞、夾雜等冶金缺陷，如圖6所示。

圖6 斷口掃描電鏡圖樣

通過(guò)對(duì)小齒輪節(jié)圓處取樣侵蝕后進(jìn)行金相分析，其滲碳淬硬層組織為回火馬氏體，如圖7所示。金相結(jié)果正常，結(jié)合化學(xué)成分分析報(bào)告，說(shuō)明材料的組織成分符合要求。

圖7 斷口金相圖樣

2.3 力學(xué)性能分析

為檢查齒輪質(zhì)量問(wèn)題，針對(duì)齒輪本體進(jìn)行理化分析，判斷其是否符合技術(shù)協(xié)議相關(guān)要求。主要對(duì)齒輪樣本進(jìn)行了化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)小齒輪化學(xué)成分合格，力學(xué)性能中斷后伸長(zhǎng)率、沖擊功等不符合技術(shù)要求。與標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值差距不是特別大，并不能構(gòu)成齒輪損壞的直接原因。具體檢測(cè)結(jié)果如下表所示。表1為齒輪試樣拉伸屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，表2為齒輪試樣沖擊功檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。

表1 齒輪試樣拉伸屈服強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表2 齒輪試樣沖擊功檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

2.4 硬化層檢測(cè)

《GB/T 3480.5 直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算》中推薦的接觸強(qiáng)度的最佳硬化層深度推薦值：和綜合考慮彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度的最大硬化層深度：經(jīng)過(guò)計(jì)算，本齒輪所需要的有效硬化層深度范圍為：1.8～2.4mm。

通過(guò)對(duì)失效小齒輪在節(jié)圓處進(jìn)行有效硬化層深度檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其表面硬度598HV1（相當(dāng)于55.0HRC）按《GB/T 9450-2005鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》進(jìn)行有效硬化層深度的確定檢測(cè)，其有效硬化層深度為0.88mm，不符合國(guó)標(biāo)要求，且差距較大。硬化層深度不夠，往往會(huì)造成齒面的提前失效，比如點(diǎn)蝕等。失效小齒輪試樣齒面硬度具體檢測(cè)結(jié)果如下，見(jiàn)表3。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

2.5 齒輪裝配因素分析

在失效原因分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)小齒輪在裝配過(guò)程中沒(méi)有有效措施對(duì)過(guò)盈量進(jìn)行很好的控制。根據(jù)保存的裝配記錄，可以推斷實(shí)際過(guò)盈量在0.2～0.5mm之間。

根據(jù)《GB/T 15755-1995 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)化工版第二卷第五篇》中關(guān)于圓錐面過(guò)盈連接的計(jì)算，將過(guò)盈連接的安全系數(shù)取值3，通過(guò)計(jì)算可知：

傳遞載荷所需要的最小有效過(guò)盈量為：

因此，0.2mm的過(guò)盈量已經(jīng)足夠傳遞設(shè)備工作所需要的扭矩.當(dāng)過(guò)盈量取值0.25mm的時(shí)候，安全系數(shù)可以達(dá)到3.5。

為了判斷不同過(guò)盈量對(duì)實(shí)際產(chǎn)品齒根應(yīng)力的影響，應(yīng)用此前的有限元分析，分別按0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm等不同的裝配過(guò)盈量取值，計(jì)算得到同一點(diǎn)在不同過(guò)盈量下的應(yīng)力值。熱裝過(guò)盈量對(duì)齒根應(yīng)力的影響見(jiàn)表4，具體有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

表4 過(guò)盈量對(duì)齒根應(yīng)力的影響

圖8 不同過(guò)盈量條件下齒根應(yīng)力

從表4可知，過(guò)盈量從0.2mm變大至0.6mm時(shí)，裝配產(chǎn)生的齒根初始應(yīng)力由184.94MPa升至564.56MPa，增加了200%。由此可見(jiàn)，熱裝過(guò)盈量對(duì)齒根應(yīng)力的影響很大，因此嚴(yán)格控制齒輪的熱裝過(guò)盈量，是降低熱裝附加應(yīng)力、確保小齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的最有效途徑。考慮到疊加齒輪工作載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力，最大負(fù)載下，過(guò)盈量超過(guò)0.3mm，齒根應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料的許用疲勞強(qiáng)度，不適合最大負(fù)載下長(zhǎng)時(shí)間工作。

2.6 裝配的影響

（1）裝配溫度的影響。生產(chǎn)過(guò)程中采用270℃的熱裝溫度，小齒輪變形大，并不能有效控制齒輪的過(guò)盈量。而齒輪滲碳淬火后的回火溫度約為180℃[8]，熱裝加熱溫度不允許超過(guò)回火溫度，因此齒輪采取270℃進(jìn)行熱裝的裝配工藝是不合理的。

滲碳淬火齒輪齒根具有較高的殘余壓應(yīng)力和齒面具有高的耐磨損性能。小齒輪實(shí)際加熱溫度超過(guò)180℃，這將會(huì)導(dǎo)致小齒輪齒面硬度下降，有效硬化層深度減小，滲碳淬火產(chǎn)生的齒根殘余壓應(yīng)力大幅削弱，甚至消除，降低其疲勞承載能力，在較短的使用時(shí)間內(nèi)，就可能在齒根表面萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展進(jìn)而發(fā)生輪齒的疲勞斷裂故障。

（2）裝配同步性的影響。齒輪副在完成裝配后，左右側(cè)齒輪同步嚙合至關(guān)重要，然而壓裂泵試車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)后，兩側(cè)齒輪同步性都會(huì)變差，造成此現(xiàn)象的原因是多方面綜合影響的結(jié)果，需要在各方面采取措施，最終提高同步性。通過(guò)檢查傳動(dòng)鏈各個(gè)零部件工作狀態(tài)，對(duì)比試車(chē)前后裝配數(shù)據(jù)，最后發(fā)現(xiàn)齒輪與曲軸連接的脹套在使用過(guò)程中出現(xiàn)滑動(dòng)，偏離原始位置，如下圖9所示，造成壓裂泵運(yùn)行后同步性差。

圖9 脹套偏移示意圖

一側(cè)齒輪傳動(dòng)脹套發(fā)生滑移后，同步性變差，會(huì)造成另外一側(cè)齒輪負(fù)荷上升。由于左右齒輪為對(duì)稱分布的斜齒輪，小齒輪軸為浮動(dòng)設(shè)計(jì)，會(huì)有人字齒輪自動(dòng)對(duì)中找正的功能。在調(diào)整范圍內(nèi)，偏載情況不會(huì)太嚴(yán)重，主要影響齒輪的接觸嚙合長(zhǎng)度。極端情況下，單側(cè)賬套無(wú)法提供扭矩，則會(huì)由原來(lái)的雙側(cè)驅(qū)動(dòng)變?yōu)閱蝹?cè)驅(qū)動(dòng)，在負(fù)荷不變的情況下，齒輪的應(yīng)力情況會(huì)成倍增加，造成齒輪的失效。結(jié)合實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果，脹套并未完全失效，只是達(dá)不到額定的扭矩，實(shí)際偏移量較小，在齒輪調(diào)整范圍之內(nèi)。可以判斷，脹套松動(dòng)并不是齒輪失效的主要原因，但會(huì)影響齒輪的嚙合長(zhǎng)度，影響其使用壽命。

通過(guò)對(duì)采購(gòu)的成品脹套進(jìn)行扭矩檢測(cè)標(biāo)定，脹套并不能提供機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定扭矩，屬于不合格產(chǎn)品。

3 分析討論

從小齒輪斷口的宏觀分析及掃描電鏡分析結(jié)果看：小齒輪斷口為疲勞斷口，在疲勞擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的疲勞弧線。疲勞源區(qū)存在嚴(yán)重磨損痕跡，說(shuō)明其運(yùn)行過(guò)程中存在大振幅的交變應(yīng)力，疲勞裂紋張合擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生磨損。

小齒輪表面硬度598HV1（相當(dāng)于55.0HRC），有效硬化層深度為0.88mm，不符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于齒輪出廠硬度檢測(cè)為合格產(chǎn)品，可以判斷其裝配過(guò)程中，加熱溫度已經(jīng)高于滲碳齒輪的回火溫度，造成齒輪硬度降低，有效硬化層深度減少。齒輪硬度降低，有效硬化層深度減少，會(huì)造成其抗拉強(qiáng)度的大幅下降。其次，裝配過(guò)程中采用熱裝過(guò)盈裝配，這樣的裝配齒輪冷卻后其齒根會(huì)呈現(xiàn)很大的拉應(yīng)力，大大降低其疲勞壽命。結(jié)合實(shí)際有限元分析的結(jié)果，熱裝過(guò)盈量對(duì)齒根應(yīng)力的影響很大，在保證扭矩可靠傳遞的前提下，減少熱裝過(guò)盈量能有效的提高小齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。

脹套質(zhì)量問(wèn)題，不能提供機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭矩，造成滑動(dòng)，會(huì)影響兩端齒輪傳動(dòng)的同步性，造成偏載，會(huì)進(jìn)一步惡化齒輪的使用工況。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的分析，可以得出小齒輪斷裂的直接原因如下：小齒輪采用錐面過(guò)盈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳遞額定轉(zhuǎn)矩的實(shí)際裝配過(guò)盈量偏大，加熱裝配時(shí)，采用的加熱溫度過(guò)高，已經(jīng)超過(guò)小齒輪回火溫度，是造成小齒輪疲勞裂紋萌生甚至斷裂的直接原因。次要原因如下：①小齒輪力學(xué)性能檢測(cè)斷后伸長(zhǎng)率、沖擊功等不符合技術(shù)要求；②脹套發(fā)生滑動(dòng)，無(wú)法提供有效的連接，造成齒輪副嚙合的同步性變差，會(huì)因偏載造成齒輪使用壽命減短。

針對(duì)性的措施為：①實(shí)際裝配過(guò)程中，利用工裝，限制齒輪錐面套入深度，進(jìn)而嚴(yán)格控制過(guò)盈量為0.2mm～0.25mm。采用加熱爐保溫，嚴(yán)格控制齒輪熱裝溫度保持170℃，不超過(guò)齒輪的回火溫度；或者取消熱裝工藝，采用其他常溫裝配方式；②按照標(biāo)準(zhǔn)《圓錐面過(guò)盈連接的計(jì)算》摘自GB/T 15755-1995，按推薦的安全系數(shù)取較小值，減少過(guò)盈裝配對(duì)齒根的附加應(yīng)力；③更換脹套品牌，并進(jìn)行扭矩試驗(yàn)驗(yàn)收，確保產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)嚴(yán)格控制加熱溫度和過(guò)盈量之后，小齒輪正常使用，未再出現(xiàn)失效問(wèn)題。更換合格的脹套后，再未發(fā)生齒輪滑動(dòng)的情況，齒輪副同步性和嚙合情況得到有效保證。