華 強(qiáng)

（中國石化鎮(zhèn)海煉化公司，浙江寧波 315207）

0 引言

因聚烯烴工藝生產(chǎn)的PP/PE 粉料、松密度較低、細(xì)粉多、表面積大，易吸收空氣中氧氣及水分而老化且不利于運(yùn)輸及貯存，為了增加產(chǎn)品的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性，便于運(yùn)輸和貯存，所以從反應(yīng)器生產(chǎn)出的粉料需要通過擠壓造粒機(jī)組來成型。該機(jī)組由驅(qū)動(dòng)裝置、加料裝置、機(jī)筒、螺桿、開車閥、換網(wǎng)器、水下切粒等部分組成，其中主減速箱屬于機(jī)組的關(guān)鍵傳動(dòng)部件。下面針對(duì)機(jī)組檢修過程中發(fā)現(xiàn)的主齒輪箱輸入軸換擋齒輪斷齒故障，從理化和力學(xué)角度分析失效機(jī)理。

圖1 擠壓機(jī)主齒輪箱結(jié)構(gòu)示意

1 機(jī)組概況

某聚丙烯擠壓造粒機(jī)組為國外某廠家生產(chǎn)同向雙螺桿機(jī)型，主齒輪箱由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用雙速閉式齒輪箱，其作用是減速（螺桿轉(zhuǎn)速比電機(jī)低）、分速（兩根螺桿要具有相同的轉(zhuǎn)速）、變速（螺桿要能高、低速兩檔運(yùn)轉(zhuǎn)）和傳遞轉(zhuǎn)矩，以保證兩個(gè)螺桿同向、同步轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，輸入軸上裝有高低速切換齒套組件，以滿足不同生產(chǎn)負(fù)荷需求。

2 失效問題提出

該機(jī)組于2010 年2 月正式投運(yùn)，2014 年5 月按計(jì)劃解體大修，檢修前該機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)正常。拆檢發(fā)現(xiàn)主齒輪箱輸入軸高低速換擋齒輪很多部位斷齒，軸上外齒和滑套內(nèi)齒也有多個(gè)齒發(fā)生斷裂，嚙合面上均有嚴(yán)重?cái)D壓產(chǎn)生的塑性變形痕跡，從斷齒外觀上看好像是疲勞開裂（圖2）。

圖2 主齒輪箱輸入軸換擋齒輪斷齒

軸上內(nèi)齒斷齒數(shù)為15 個(gè)，外齒斷齒數(shù)為5 個(gè)，內(nèi)齒和外齒均斷裂在同一側(cè)，斷裂長度約為齒長的1/4。故障部位齒輪模數(shù)為5 mm，內(nèi)、外齒輪齒數(shù)均為66 個(gè)，齒寬70 mm。

3 失效原因分析

3.1 斷齒失效機(jī)理分析

3.1.1 斷口宏觀分析

從所有斷齒中取出5 個(gè)作為樣品分析，這些斷齒均是疲勞斷裂特征，斷口上有明顯的貝殼紋和放射紋，嚙合面有嚴(yán)重?cái)D壓塑性變形痕跡。

由圖3 可知，斷裂源位于齒輪外表面，并徑向發(fā)展，最終斷裂，有多個(gè)疲勞臺(tái)階，即有多個(gè)疲勞源，也說明該輪齒是多元疲勞斷裂，最后一部分為瞬時(shí)斷裂。另外，試樣最后瞬斷區(qū)面積很小，說明該齒疲勞裂紋擴(kuò)展充分，為優(yōu)先發(fā)生斷裂的齒。

圖3 斷裂齒輪宏觀形貌

疲勞斷口有明顯的裂紋起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和最后瞬時(shí)斷裂區(qū)3 個(gè)特征。圖中表現(xiàn)都很明顯，最后瞬時(shí)斷裂區(qū)的大小說明斷裂時(shí)載荷的大小，瞬時(shí)斷裂區(qū)越小、載荷越小。從這些齒斷口可以看出，每個(gè)齒面最后瞬時(shí)斷裂區(qū)的尺寸不同，這說明這些齒不是同時(shí)斷裂的，斷裂時(shí)的載荷不同。對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展充分而瞬時(shí)斷裂區(qū)小的，應(yīng)該是先發(fā)生斷裂的，而瞬時(shí)斷裂區(qū)面積大的應(yīng)該是后發(fā)生斷裂的。

3.1.2 斷口掃描電鏡和金相組織分析

對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)齒輪斷口疲勞裂紋擴(kuò)展充分，瞬時(shí)斷裂區(qū)很小，應(yīng)該是先期發(fā)生斷裂的齒，圖4 是1#樣品的掃描電鏡低倍照片，表面有明顯的疲勞輝紋，起裂區(qū)有明顯的塑性變形。對(duì)斷齒擠壓接觸面進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)接觸面上有明顯的塑性擠壓痕跡，有明顯的微觀裂紋，同時(shí)觀察到沿齒高度方向上的滑移痕跡。

圖4 1#樣品斷口掃描電鏡分析

對(duì)失效斷齒樣品進(jìn)行金相顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合面處已被擠壓并產(chǎn)生微裂紋，表面組織和內(nèi)部組織一樣，金相組織為索氏體和上貝氏體。齒輪嚙合面有大量微裂紋，非嚙合面則沒有微裂紋。

3.2 化學(xué)成分分析及硬度檢測(cè)

3.2.1 化學(xué)成分分析

從材料化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)看，該齒輪材料為日本JISG 4053—2003 標(biāo)準(zhǔn)的SCM420，與國內(nèi)合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999 的20CrMnMo 鋼成分相似。

3.2.2 硬度檢測(cè)

在失效齒輪的斷口附近取樣檢測(cè)硬度，按照GB/T 4340.1—1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》，采用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣表面和心部進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成布氏硬度。輪齒表面硬度266～273 HB，平均269 HB；齒輪心部硬度257～273 HB，平均267 HB。輪齒心部和表面硬度基本一樣，說明表面未進(jìn)行滲碳等硬化處理，經(jīng)與廠家確認(rèn)設(shè)計(jì)即要求軟齒面。

3.3 齒輪受力分析

3.3.1 基于ANSYS 的有限元分析

委托國內(nèi)某高校對(duì)故障齒輪進(jìn)行受力情況有限元分析，對(duì)輸入軸的剛度進(jìn)行校核，分析其受力變形情況，下面僅列舉分析計(jì)算結(jié)果。內(nèi)齒輪主要受到兩個(gè)力矩作用:一是輸入輸出齒輪作用下產(chǎn)生的扭矩；二是齒輪嚙合帶來的反向力矩。電機(jī)額定功率10 600 kW，正常情況下功率不超過80%額定功率，即按8480 kW計(jì)算得出齒輪轉(zhuǎn)矩。

通過有限元計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外齒輪的嚙合面處齒根容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且都出現(xiàn)在內(nèi)齒輪的內(nèi)側(cè)，而離開齒根到齒嚙合面的另一側(cè)所受應(yīng)力變化不大，基本均勻。這與齒輪從齒根折斷，并且發(fā)生在內(nèi)側(cè)、嚙合面塑性變形相吻合。

3.3.2 齒輪軸的剛度校核

最后采用當(dāng)量直徑法將該齒輪軸轉(zhuǎn)化為光桿軸，從彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行校核，計(jì)算彎曲變形和位移。

圖5 總體齒輪Von mises 應(yīng)力圖

圖6 簡化齒輪受力的示意

（1）受徑向力Fr作用。

端點(diǎn)A 處的位移:

（2）受彎矩ME作用。

軸向力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩:

不考慮制造等其他因素的理想情況下，齒輪部件的彎曲變形導(dǎo)致的位移為0.028 5 mm，位移不大，但根據(jù)有限元模擬，變速檔內(nèi)外齒輪齒根處的應(yīng)力變化比較大。

考慮彎曲剛度時(shí)，輸入軸理想情況不應(yīng)該產(chǎn)生彎曲變形，軸沒有擾度和轉(zhuǎn)角。由于理想處理是各個(gè)齒的受力大小的相等，各對(duì)齒的圓周力、徑向力、軸向力產(chǎn)生的效果互相抵消，不對(duì)軸產(chǎn)生撓度和轉(zhuǎn)角。而實(shí)際情況加工和裝配會(huì)存在不均勻，導(dǎo)致載荷分配不均，各對(duì)齒輪力不能完全互相抵消，對(duì)軸產(chǎn)生撓度和轉(zhuǎn)角。而且載荷分配不均勻程度越大，各對(duì)齒受力相差越大，軸的變形程度越大，軸的撓度和轉(zhuǎn)角就越大。

4 結(jié)論

4.1 齒輪失效的直接原因是微動(dòng)疲勞斷裂

從齒面的接觸面掃描電鏡形貌分析可以看出，齒面上有明顯的塑性擠壓和滑移痕跡。從有限元分析可以看出，內(nèi)外齒輪應(yīng)力集中出現(xiàn)在嚙合面靠近齒根處。而齒輪在運(yùn)行中沿齒高方向存在微小滑移，在交變應(yīng)力的影響產(chǎn)生微裂紋，加速疲勞源形成和裂紋擴(kuò)展，最終疲勞斷裂失效。

4.2 軸剛度不足是導(dǎo)致齒輪失效的根本原因

從受力分析可知，軸的剛度設(shè)計(jì)裕度不夠，會(huì)導(dǎo)致軸產(chǎn)生微小的變形和位移，這對(duì)斷面處齒根的應(yīng)力變化很大，會(huì)導(dǎo)致齒根的疲勞破壞。建議提高軸的剛度，齒輪的制造和裝配精度，盡量降低載荷分配的不均勻，減少齒輪間的相對(duì)滑動(dòng)。同時(shí)改善換擋齒輪的結(jié)構(gòu)（可以增加齒輪部件的總體軸徑）和齒面材料的特性（如硬度、涂層等）會(huì)降低微動(dòng)疲勞。