張 杰 張世旭 趙旭東

煙臺寶鋼鋼管有限責任公司

減速機齒輪軸的斷裂失效分析

張 杰 張世旭 趙旭東

煙臺寶鋼鋼管有限責任公司

減速機齒輪軸在安裝調(diào)試中發(fā)生異常開裂，經(jīng)宏觀觀察、掃描電鏡及光學顯微鏡分析后發(fā)現(xiàn)，齒輪軸局部出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，開裂面擴展方向與軸向呈45°，齒尖處裂紋尾端組織有冷形變特征。這些特征說明齒輪軸開裂是安裝不當出現(xiàn)過載導致的。調(diào)試過程中，齒輪軸因運轉(zhuǎn)受阻出現(xiàn)過載，當過載超過其許用應(yīng)力時，齒輪軸開始發(fā)生少許變形，進而在應(yīng)力集中部位開裂，并沿與軸向呈45°方向擴展從而導致失效。

減速機；疲勞斷裂；失效分析

齒輪減速器廣泛用于礦山、冶金、石油、化工、電力、建材、水利、環(huán)保、國防等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。它的主要傳動零件是齒輪、軸、軸承，三者之間相互聯(lián)系相互影響，隨著時間的推移，三者中任何一零件的失效，將引起其他零件的失效，從而降低減速器使用性能，縮短整機壽命。因此對傳動零件引起的其他零件的失效進行研究，分析產(chǎn)生的原因，采取有效措施并加以改進顯得十分重要。

1 失效原因分析

1.1 軸的失效

在附加載荷作用下，軸的撓度和扭轉(zhuǎn)角增大，將引起彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增加，加快軸的疲勞失效，隨著時間的推移，造成軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。同時，軸頸和軸承內(nèi)圈形成邊緣接觸式運轉(zhuǎn)，接觸面積減小，加快軸頸的磨損。

1.2 軸承引起的失效

齒輪減速器使用的軸承為滾動軸承，主要失效形式有疲勞點蝕、磨損和塑性變形。疲勞點蝕是滾動體和內(nèi)外圈接觸處受脈動循環(huán)應(yīng)力的作用產(chǎn)生的；磨損是滾動體和內(nèi)外圈相互摩擦運動、點蝕剝落下來的金屬微粒進入摩擦表面、潤滑不良等原因造成的；塑性變形是軸承受過載或過大的沖擊載荷，使軸承元件永久變形產(chǎn)生的。

1.3 斷口原因分析

帶式輸送機使用中，用來輸送物料，物料從料斗中掉落在帶式輸送上，所以帶式輸送機載荷一直是在變化的，同時帶式輸送機因工作需要隨時停止和啟動， 存在重載啟動現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場人員調(diào)查測量，現(xiàn)場其他同批帶式輸送機安裝存在問題，驅(qū)動軸安裝同心度存在超差。結(jié)合試驗，該高速軸工作時除受到扭力外，還受到由于安裝不同心造成的較大旋轉(zhuǎn)彎曲力，同時存在重載啟動現(xiàn)象。致使該軸受到較大的額外應(yīng)力，在表面過早產(chǎn)生疲勞裂紋源，隨著時間的推移，該軸在工作中受到不斷變化載荷影響，疲勞裂紋不斷擴大，直至最終斷裂。

2 系統(tǒng)性分析

2.1 常規(guī)分析

引起齒輪碎裂和軸斷裂的常見原因有齒輪及軸設(shè)計不合理、強度不夠、加工質(zhì)量存在缺陷、材料選用不當或熱處理質(zhì)量不合格等，一般情況下齒輪碎裂后不會引起軸斷裂，而如果軸斷裂后，齒輪傳動失去束縛，往往導致齒輪碎裂，所以初步判軸因某種原因先發(fā)生斷裂，軸斷裂后齒輪傳動一端失去束縛，傳動過程中發(fā)生跳動磕打?qū)е慢X輪碎裂。

2.2 逐項排查

(1)設(shè)計因素。該產(chǎn)品是成熟設(shè)計，之前未發(fā)生過類似問題，且廠內(nèi)相同產(chǎn)品在使用5年內(nèi)沒有發(fā)生過類似故障，排除設(shè)計缺陷問題。(2)加工精度。對齒形、齒側(cè)間隙等進行測量，測量結(jié)果顯示齒輪加工精度滿足標準要求。(3)潤滑質(zhì)量。對齒輪箱內(nèi)潤滑油進行油質(zhì)檢測，除油質(zhì)內(nèi)含有齒輪碎裂金屬物質(zhì)外，油質(zhì)符合標準要求。(4)裝配質(zhì)量。拆除齒輪箱輸入、輸出聯(lián)軸節(jié)，對齒輪輸入、輸出軸進行手盤檢驗，齒輪轉(zhuǎn)動平滑，無任何滯澀現(xiàn)象，排除齒輪箱因裝配精度、軸承等問題發(fā)生齒輪斷裂。(5)金相檢查。測量齒輪表面、心部硬度并進行金相分析，排除熱處理質(zhì)量問題導致齒輪碎裂。(6)驅(qū)動皮帶張力檢查。發(fā)現(xiàn)皮帶安裝過緊，皮帶張力超過安裝要求。

2.3 皮帶張緊力

雖然皮帶張緊力超出允許值，但皮帶張緊力主要由軸承支承受力，齒輪軸斷軸部位在兩支承軸承內(nèi)，可以排除皮帶張緊力因素。

3 分析與討論

分析可知，齒輪軸材質(zhì)符合要求，原材料中雖有1.5級硫化物夾雜，但符合技術(shù)要求。齒輪軸經(jīng)滲碳淬火回火后，有效硬化層深度符合要求，且硬度梯度較好。齒輪軸表面組織為針狀馬氏體和殘留奧氏體，組織有回火不足現(xiàn)象，殘留奧氏體含量較多。適量的殘留奧氏體能提高滲層的韌度和接觸疲勞強度，改善嚙合條件，擴大接觸面積，但殘留奧氏體過量，常會伴隨馬氏體針狀組織粗大，導致表層硬度下降，耐磨性降低。由于殘留奧氏體為不穩(wěn)定組織，易導致零件尺寸發(fā)生變化，增大畸變量。殘留奧氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體量雖少，但卻會使鋼的脆性明顯增大。對不同承載能力的滲碳件，殘留奧氏體應(yīng)有一個最佳范圍，通常認為殘留奧氏體量在20%(體積分數(shù))以下是允許的。

齒輪軸經(jīng)熱處理后殘留奧氏體含量大于30%，造成齒輪軸畸變增大，在校直433齒輪軸時發(fā)現(xiàn)多根齒輪軸畸變量較大，超過了0.50mm(熱處理后軸類零件的畸變量通常在0.30mm左右)。校直工序采用全自動冷校直方式，在校直較大畸變量時，需要增加校直次數(shù)，齒輪軸在校直過程中反復受力，造成較大的應(yīng)力集中，當應(yīng)力超過一定值時，造成齒輪軸脆性斷裂。

由于齒輪軸熱處理后畸變量較大，反復校直過程中導致應(yīng)力過大，造成斷裂。建議優(yōu)化433齒輪軸的熱處理工藝，適當延長回火時間，控制齒輪軸熱處理后的畸變量。將現(xiàn)有畸變量較大的齒輪軸采用熱校直的方式進行校直，減小應(yīng)力集中，避免斷裂。

結(jié)語

在實際生產(chǎn)中，齒輪減速器傳動零件相互引起的失效不是獨立出現(xiàn)的，而是多種失效同時存在于工作過程。因此減速器使用過程中，要加強工作人員的責任心，嚴格落實減速器操作、使用維修等制度，對發(fā)現(xiàn)的問題和出現(xiàn)的失效現(xiàn)象按照不同種類認真分析和判斷，找出失效產(chǎn)生的主要原因并及時排除和進行維護，這樣不僅能延長減速器傳動零件的使用壽命，而且也能提高生產(chǎn)效率，保障安全生產(chǎn)，創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

[1]王靖，張群祎.曲軸斷裂失效原因分析[J].煤礦機械，2002，23(11)：41-42.

[2]溫娟，尹立新，嚴春蓮，等.減速機軸斷裂分析[J].物理測試，2008，26(1)：48-51.

[3]王榮杰.球磨機齒輪軸的斷裂分析及修復[J].煤礦機械，2004，25(1)：106-108.