整體式多軸壓縮機用齒輪傳動裝置齒輪失效分析研究

中圖分類號 TQ051.21 文獻標志碼 B 文章編號 0254-6094（2025）04-0694-08

大型空分機組用壓縮機是石油化工、煤化工及冶金等行業的核心動力設備。整體式多軸壓縮機具有結構緊湊、重量輕、體積小、占地面積小、制造與安裝時間短等優點。多個軸系組成的齒輪傳動系統是整體式多軸壓縮機的核心部件，在高速且復雜的運行工況下，齒輪易發生疲勞斷裂失效[1]。常見的齒輪疲勞斷裂形式主要有齒面疲勞剝落、輪齒疲勞斷裂以及不同振動形式的疲勞開裂[2，3]

國內外對齒輪失效已有許多研究，張兵等分析了材料硬度與氫含量，發現齒輪軸是因其內部源區存在大尺度條狀非金屬夾雜，形成較大應力集中，最終導致軸氫脆開裂[4]。聞臻等通過材質分析、力學性能檢測及金相觀測等手段分析出齒輪軸斷裂的原因為齒輪軸R角位置存在應力集中，引起疲勞裂紋，最終造成齒輪軸斷裂[5]。郭鵬輝等分析出某造粒機組主齒輪箱輸出軸齒輪斷裂的主要誘因是負載螺桿軸斷裂時產生瞬時沖擊導致齒輪軸斷裂[6。張濤等通過分析20CrMnTi鋼制從動齒輪發現其原材料質量差是齒輪開裂的主要因素[7]。谷群遠分析了風電齒輪箱齒輪軸的斷裂失效原因，發現其齒輪軸齒面熱處理后表面有微裂紋存在，受載后齒根處的應力較大，在交變應力作用下發生了輪齒疲勞斷裂[8]。黃山和王克之研究了某重載滲碳失效齒輪，發現其失效形式為接觸疲旁斷裂，熱處理后齒輪變形不一致導致主動齒輪受力偏載加速了齒輪斷裂[9]。楊葉以STC-GV多軸式離心壓縮機振動故障為例，基于其多軸壓縮機特點分析了故障前各軸的狀態數據，得到了多軸式離心壓縮機五級進入異物引發軸振動增大故障的論斷，并最終驗證了該論斷[10]。楊小平等針對某軸流式壓縮機齒輪箱振動超大問題，分析其頻譜以及各運行參數，并結合機組實際運行情況診斷出了振動增大的原因[1]。楊林杰等分析了整體式離心壓縮機動力學模型，研究結果表明，葉輪重量與質心位置、轉動慣量及軸承跨距等均會影響轉子一階與二階臨界轉速[12]

綜上所述，現有文獻對一級傳動的齒輪失效有較多研究，而對多軸系統齒輪失效的研究則較少。也有部分學者進行理論分析，但結合實際失效案例進行系統研究較少。某整體式壓縮機機組齒輪箱在開機運行6個月后，齒輪箱某軸的振動值突然從 8μm 左右升高至 28μm ，停機拆解檢查，發現該軸系齒輪發生齒面剝落和斷齒情況。筆者通過斷口分析、化學成分分析、金相組織分析及力學模型分析等實驗與理論分析手段，探索某整體式壓縮機機組齒輪箱失效的主要原因。

1 斷齒檢測與分析

1.1 斷口分析

1.1.1 宏觀檢查

檢查高速軸齒輪接觸區嚙合痕跡，發現高速軸齒輪接觸區偏向嚙入端，接觸區呈三角形，接觸面積由嚙入端向嚙出端逐步減小（圖1）。

圖1 高速軸齒輪接觸區

觀察齒面剝落情況，發現節圓位置剝落比較集中，并向齒頂、齒根、嚙入和嚙出側擴展并逐漸減少，同時伴有壓潰和崩裂的宏觀特征（圖2）。齒輪的失效形式為齒面剝落和斷齒，斷齒的宏觀斷口具有疲勞斷裂特征。

1.1.2 微觀檢查

通過儀器對微觀斷口形貌進行觀察，圖3為疲勞源區，由于齒輪運轉過程受到沖擊，疲勞源區已經崩裂，與疲勞擴展區有一定夾角的斷裂面又出現了許多小的疲勞斷面。圖4為疲勞斷裂的擴展區，微觀可見清晰的疲勞擴展輝紋。圖5為最終斷裂區，由于最終斷裂區域為一個弧面，因此圖5又出現了垂直于主裂紋的擴展方向的二次疲勞擴展輝紋，最終斷裂區為韌性斷裂，高倍鏡下可見明顯韌窩特征。

a.齒面材料剝落照片

b.疲勞斷裂照片

圖2斷口宏觀檢查照片

圖3疲勞源區位置斷口形貌照片

圖4疲勞斷裂擴展區形貌照片

圖5最終斷裂區形貌照片

1.2 化學成分分析

金屬材料的化學成分是影響材料性能的關鍵因素，材料各元素含量與比例會對其強度、硬度及塑性等性能產生影響。失效齒輪材料為12Cr2Ni4合金鋼，熱處理采用調質滲碳淬火工藝。在失效齒輪齒部取樣，材料化學成分檢測結果見表1，可見齒輪材料各化學成分均符合標準GB/T3077—2015《合金結構鋼》要求。

表1失效齒輪材料化學成分分析

1.3 金相組織分析

圖紙技術要求齒輪滲碳淬火，齒面硬度60HRC±2HRC ，有效硬化層深度 0.8～1.1mm ，馬氏體等級要求1～3級。

對齒輪未損傷部位取樣并進行金相組織分析，齒面與芯部的金相組織如圖6所示，按JB/T6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗》評定，碳化物為1級，馬氏體為2級，殘留奧氏體為3級，均符合標準要求。

齒輪表面硬度檢測結果為53.1HRC，不符合技術要求，芯部硬度31.1HRC，節圓處有效硬化層深度 0.8mm ，具體檢測結果見表2。

圖6金相組織照片

表2齒輪試樣金相檢測結果

分別檢測節圓、齒根處不同深度工作面與非工作面的硬度，結果見表3、4，并繪制成硬度梯度曲線，距離齒面越遠其工作面與非工作面硬度下降幅度越大（圖7、8）。

表3節圓處不同深度工作面與非工作面的硬度

表４

圖8齒根處硬度梯度曲線

1.4加工精度檢測分析

高速軸齒輪齒面加工精度等級見表5，從表中數據可以看出，齒廓總偏差工作齒面與非工作齒面均達到3級精度，符合圖紙要求；工作齒面螺旋線總偏差達到4級精度，而非工作齒面螺旋線總偏差達到7級精度。因此，螺旋線總偏差未達到圖紙要求的4級精度。徑向跳動和齒距累積總偏差由于齒面污損而導致精測結果為6級精度；根據齒向檢測曲線，工作齒面齒向最大修形量為0.012mm ，而圖紙要求工作齒面齒向修形量為0.02～0.04mm ，因此，工作齒面齒向修形不符合圖紙要求。高速齒輪的幾何精度工作面達到4級精度，非工作面達到7級，工作齒面齒向最大修形量為 0.012mm 。

表5高速軸齒輪齒面加工精度等級

2軸受力分析與強度計算

2.1 軸系受力分析計算

齒輪軸系結構如圖9所示，其中大齒輪軸與驅動機相連，一二級和三四級與工作機相連。一二級齒輪軸與三四級齒輪軸軸向有推力盤結構，支撐軸承為可傾瓦徑向軸承，無推力軸承；大齒輪軸驅動側軸承為徑向圓柱軸承，非驅動側為徑向止推圓柱軸承。齒輪齒形為單斜齒，各齒輪齒寬上部為嚙入側，下部為嚙出側。

齒輪箱的各齒輪參數見表6，根據齒輪參數可以計算出各齒輪嚙合力（表7）。對大齒輪軸單獨進行受力分析，結果如圖10所示。

根據 x?y?z 方向的力平衡及繞y軸的力矩平衡條件，可計算 F_bxl?F_byl?F_bx2?F_by2 。取大齒輪軸重力G=23000N ，大齒輪半徑 r=816mm ，軸承中心到大齒輪軸齒輪中心距離 L₁=L₂=220mm ，可得 F_bx1= 48624 N， F_bα2=50361 N F_byl=F_by2=-13856N. 。根據各向受力大小，可知大齒輪軸工作轉速時的平衡F_a³⁴?F_t³⁴?F_r³⁴"一大齒輪軸與三四級齒輪齒合時產生的軸向力、切向力和徑向力；F_a¹²?F_t¹²?F_r¹²"-大齒輪軸與一二級齒輪齒合時產生的軸向力、切向力和徑向力；F_bx1"上""與 F_by2"—大齒輪軸在軸承1、軸承2處受到的力在x、y方向上的分力；F_a"——大齒輪軸受到的軸向合力位置如圖11所示。軸承1與軸承2處的軸心位置分別位于第四、第三象限，其中 α₁=15.9^°"， α₂=15.4^°"。在此位置工作時，大齒輪軸的軸線與軸承孔中心線將產生較大的平行度誤差，誤差大小與軸承間隙、油膜厚度及箱體變形有關。

圖9齒輪軸系結構示意圖

表6齒輪箱各齒輪參數

表7各級齒輪嚙合力

圖10 大齒輪軸受力分析

圖11大齒輪軸的平衡位置

αa——大齒輪軸在軸承1、軸承2處所受力與x軸夾角

2.2 強度計算

根據表6中的齒輪參數，采用鄭州機械研究所有限公司齒輪強度計算程序ZGCAD和KISSsoft軟件對齒輪強度進行校核計算，在無平行度誤差且熱處理質量為中等時，一二級齒輪的齒面接觸強度、齒根彎曲強度安全系數分別為1.79、2.82（AGMA2101-D04）。當存在較大的平行度誤差時，齒輪副的接觸帶將會發生變化，進而影響安全系數，不同平行度誤差下的接觸帶如圖12所示，安全系數見表8。

圖12不同平行度誤差下的齒輪副接觸帶

表8安全系數

大齒輪軸的軸承直徑為 180mm ，寬度為100mm ，間隙約 0.22mm ，在此條件下計算得到油膜厚度約 0.05mm ；由于兩支撐軸承處軸心所處象限不同，此時大齒輪的軸線與兩軸承孔中心線的平行度誤差約為 0.12mm （不考慮箱體變形），較大的平行度誤差會導致齒輪副的接觸區域發生變化，接觸應力與彎曲應力值也會發生改變。

3失效原因分析與討論

通過對斷裂齒輪進行斷口分析、化學成分分析、金相組織分析和受力分析，結合高速軸齒輪實際嚙合情況，排除了齒輪材料、接觸與彎曲強度等因素造成齒輪失效，得到高速軸齒輪斷齒主要與以下幾個因素相關：

a.齒輪滲碳淬火后有效硬化層深度符合技術要求，但齒面硬度低于圖紙要求，不符合設計要求，是造成失效的因素之一；b.齒輪偏載是此次失效的一個主要因素，其實際接觸區小于 50% ：c.齒輪的幾何精度等級為7級，不符合圖紙要求的4級精度。此外，圖紙要求工作齒面齒向修形量為 0.02～0.04mm ，但實際工作齒面齒向修形量最大為 0.012mm ，與技術要求不相符。

4結束語

針對某整體式壓縮機機組齒輪箱軸系齒輪發生齒面剝落和斷齒的情況，進行了斷口分析、化學成分分析、金相組織分析和加工精度檢測分析，并結合受力分析與強度計算，發現高速軸齒輪失效過程如下：在齒輪箱開始運轉時，由于齒輪接觸區發生了偏移，造成了齒輪的實際接觸區集中在高速軸齒輪工作面的嚙入端。運轉過程中的偏載造成了高速軸工作齒面嚙入端的沖擊載荷加大，齒面硬度偏低和接觸帶偏移使齒輪的接觸疲勞強度降低，在嚙合沖擊的作用下齒面萌生了小裂紋進而擴展成較深較大的裂紋，引起齒面疲勞剝落。隨著齒輪箱繼續運轉，齒輪在嚙合過程中持續受到載荷沖擊，較深的疲勞裂紋繼續向齒輪芯部擴展，當齒輪強度不足以支持齒輪傳遞的扭矩和齒輪嚙合沖擊時，齒輪就發生了疲勞斷裂。

因此，建議加強熱處理質量控制，對核心零部件齒輪進行過程檢測，嚴格按照齒輪圖紙加工，并對關鍵參數進行測量驗證。嚴格控制齒輪箱裝配過程，按照設計要求調整接觸區，安裝齒輪箱時同軸度必須嚴格按照技術要求，防止發生偏載。

參考文獻

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（收稿日期：2024-10-11，修回日期：2025-07-16）