吳佩澤，周曉紅，閆雪俠

西安煤礦機械有限公司 陜西西安 710200

1 序言

采煤機齒輪傳動分閉式和開式兩種，閉式傳動齒輪的主要失效形式是輪齒彎曲疲勞斷裂，齒面接觸疲勞破壞，齒面膠合和塑性變形。目前，我公司齒輪產(chǎn)品失效的問題主要是使用中出現(xiàn)的斷齒現(xiàn)象和生產(chǎn)中出現(xiàn)的磨齒裂紋。這里主要從齒輪心部硬度、齒根硬度和齒根圓角對齒輪彎曲疲勞破壞方面進(jìn)行失效分析。

2 失效分析

2.1 心部硬度

齒輪的心部硬度值是一個綜合性指標(biāo)，其承載特性對強度和韌性都有嚴(yán)格要求，且心部硬度的高低也在一定程度上反映心部組織[1-2]。齒輪心部淬火后的硬度值高低受材料、尺寸和冷卻方式等因素影響。國標(biāo)對材料化學(xué)成分的要求是一個范圍，因此即使同牌號的材料由于成分波動也會導(dǎo)致淬火后硬度高低不同。齒輪心部的提高會在一定范圍內(nèi)提高彎曲疲勞強度，但當(dāng)硬度超過一定值時，會使工件表面存在不利的殘余應(yīng)力，反而使疲勞強度降低[3]。國內(nèi)外試驗表明：為提高大模數(shù)、深滲層齒輪件綜合性能，應(yīng)將心部硬度控制在33~42HRC[4]。齒根心部硬度對疲勞強度的影響如圖1所示。

目前，我公司的齒輪材料主要是18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A合金滲碳鋼。對于心部硬度要求為38~42HRC，相比上述范圍要求更加嚴(yán)格。工藝層面上達(dá)到要求的硬度并不難，但國內(nèi)材料如18Cr2Ni4WA鋼wC為0.13%~0.19%，20Cr2Ni4A鋼wC為0.17%~0.23%，不同進(jìn)廠批次的材料化學(xué)成分也存在偏差。根據(jù)我公司多年的檢測結(jié)果來看，不論工藝如何改進(jìn)，要將心部硬度控制在要求的范圍內(nèi)都是有一定難度的。鑒于此種情況，應(yīng)對進(jìn)廠原材料的化學(xué)成分制定更為嚴(yán)格的企標(biāo)。

圖1 齒根心部硬度對疲勞強度的影響

2.2 齒根硬度

我公司齒輪的熱處理工藝主要分為兩類：滲碳+整體淬火；滲碳+調(diào)質(zhì)+表面淬火。對于花鍵聯(lián)結(jié)的齒輪，受花鍵加工刀具硬度制約，對此類齒輪的工藝只能采取后者。對于表面淬火的齒輪，硬化層深度不應(yīng)小于齒輪模數(shù)的15%，且硬化層應(yīng)包括齒根圓角部分。因此，熱處理的問題就是在表面淬火時，如不能將整個齒（包括齒的心部）完全加熱和冷卻，當(dāng)齒的圓角不能淬硬時，齒根硬化層淺或沒有，其疲勞強度僅為硬化后的50%~80%。理想的加熱透熱范圍如圖2所示。

圖2 齒根加熱層范圍

根據(jù)多次斷齒檢測結(jié)果，如圖3所示斷齒的徑向截面熱透入深度宏觀圖，發(fā)現(xiàn)一部分齒根部沒有透熱，沒有達(dá)到有效的硬化層，其彎曲強度大打折扣。但目前的檢測手段無法直接對表面淬火齒輪齒根硬度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，只能通過檢測端面齒根對應(yīng)部位硬度或是進(jìn)行破壞性檢測。因不能實時檢測就會使個別不合格產(chǎn)品轉(zhuǎn)到下道工序，在實際使用中存在隱患。

圖3 齒根加熱深度

2.3 齒根圓角

齒的彎曲折斷主要是因齒根處應(yīng)力過大，工作中受交變應(yīng)力產(chǎn)生疲勞裂紋，最后在某峰值應(yīng)力下斷裂。齒輪齒根圓角部位的應(yīng)力集中也是影響齒輪彎曲疲勞的重要因素[5]。為了減小齒輪根部應(yīng)力集中，工藝要求規(guī)范齒輪倒角，但實際倒角時常因操作不當(dāng)形成了豁口，沒有達(dá)到減小應(yīng)力的目的，反而會形成新的應(yīng)力集中點，使齒根應(yīng)力增加很多。此外，齒根過渡圓角的大小受齒根圓直徑和有效起始圓直徑的限制，必須使過渡曲線在配對齒輪齒頂?shù)膰Ш咸幣c其齒廓相切，即切點不能高于有效起始圓直徑并與齒根圓相切，所以理想的過渡曲線應(yīng)為單圓弧。

3 結(jié)束語

1）為達(dá)到較高的彎曲疲勞強度，需將齒輪心部硬度控制在一定范圍內(nèi)。

2）對于表面淬火齒輪齒根透熱層應(yīng)大于滲碳層并包括齒根圓角部位。

3）齒輪輪廓倒圓角時，不能產(chǎn)生豁口且過渡曲線應(yīng)為單圓弧。