大型圍網起網機42CrMo齒輪點蝕失效分析

寧波捷勝海洋開發有限公司 （浙江 315806） 趙小鵬 陳 勇

寧波捷勝海洋開發有限公司是專業從事研發、生產、銷售海洋裝備的高新技術企業，公司的某型600kN大型圍網起網機在交付用戶使用一年后，經售后服務檢查發現主動輪小齒輪的齒面出現了明顯的凹坑，位置出現在齒面節線位置。

1. 設備結構形式

采用兩側閉式一級齒輪傳動、4臺液壓馬達、兩個主卷筒、制動裝置、離合器裝置等組成；閉式齒輪將液壓馬達的轉矩傳遞到軸套上，軸套與卷筒均套設在固定主軸上，當需要轉動卷筒時，軸套離合器與卷筒虎牙嚙合，則兩個卷筒可實現同時工作或分別正反轉工作，將漁網卷起或放下。

2. 現象分析

如圖1所示，出現問題的小齒輪（mn=12，z=19）；靠節線位置，在齒輪收網受力面上出現較多凹坑，φ2mm×2mm深，數量有20～30個/齒；個別齒面的凹坑達到了約φ5mm×2mm深。經分析確認凹坑為點蝕坑，已到擴展性點蝕階段；個別齒的齒面甚至出現了片蝕現象。

如圖2所示，在齒輪受力面長度方向，在接觸區域同時出現了點蝕的3個階段現象，即左端齒面1/3面積處于初期點蝕階段呈麻點狀；中部區域1/2處于擴展性點蝕階段呈內貝殼狀；右端1/6區域處于片蝕階段呈片狀脫落。

圖1 主動輪外觀

圖2 齒面特征

如圖3所示，工作面的壓痕從右到左顏色逐步加深，區域由小到大呈傾斜狀。這種現象說明大小齒輪軸心線不平行，存在偏載情況，造成局部過載，使齒面局部接觸應力過高，是產生這種點蝕現象的原因之一。起網機為中部主軸、兩側箱體結構；主軸與箱體外端軸承蓋壓緊，內側為軸套、軸承座、滑動軸承間隙配合；如果設備在船甲板上安裝精度不高或船甲板變形等原因，很容易出現大齒輪軸線不平行現象。

圖3 齒面嚙合特征

如圖4所示，小齒輪為主動輪，點蝕坑有從節線向上齒面方向擴展的趨勢。逐步發展的結果將是齒面嚴重損傷，噪聲與磨損明顯加大，最終可能會出現斷齒。另外，發現齒面的表面粗糙度值較高，這也是產生點蝕的原因之一。

圖4 點蝕坑擴展趨勢

3. 調研分析

經過上船調研、分析，認為圍網起網機工況惡劣，工作時間長，海況復雜，存在漁貨時有超載現象；齒輪的齒面接觸疲勞強度需相應提高。另外，兩個主卷筒法蘭直徑4.5m，自重加上1200m濕網重達20t，再疊加負載60t，運轉時轉動慣量很大，漁民操作手動比例閥時存在不當現象，反向時往往不待零位停頓，直接拉反向，造成齒輪突然反轉，沖擊很大，存在嚴重的動載現象，這也是產生點蝕的主要原因之一。

4. 齒面點蝕失效判斷

針對該齒輪現狀，對其進行了點蝕計算失效判斷，經計算（計算過程略）判定該設備小齒輪失效，作報廢處理。故對齒輪的熱處理提出了增加齒面高頻感應淬火要求，并對該道工序進行了試驗。

制作42CrMo齒形樣板（3齒），此材料經（860±10）℃×（1～1.5）h正火，850℃×1.5h油冷淬火，580℃×3h油冷回火處理后的金相組織為回火索氏體。表面淬火工藝參數為：20kHz，100kW，移動速度為7.5mm/s，采用單齒延齒溝淬火。將齒形樣板用線切割切開，用磨床將觀察面磨光，再用4%的硝酸酒精浸蝕，采用VHX－600數碼金相顯微鏡對樣板材料進行金相分析。經高頻感應淬火的組織分為淬硬層、過渡區和基體組織三層。淬硬層為馬氏體組織，過渡區為馬氏體與回火索氏體的混合組織，基體為回火索氏體。經硬度測試，淬硬層厚度為1.8mm，平均硬度為48HRC，基體組織平均硬度為27HRC，過渡層厚度約為0.15mm。

調質處理增強了齒輪的綜合力學性能。齒面高頻感應延齒溝淬火，增強了齒面硬度，提高了耐磨性，齒面接觸應力達到了1050MPa以上，比單獨調質齒輪的接觸應力提高1.6倍，實現了表硬、心韌作用。

5. 解決方案

根據上述調研、分析及試驗結果，提出了對應的解決方案：

（1）降低齒面的表面粗糙度值，最后一刀精滾采用新磨滾刀加工；滾齒后增加鉗工磨石修磨齒面工序；齒頂根據模數大小分別倒R圓角。

（2）提高齒面的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，調質硬度提高到了260～280HBW；增加了齒面高頻感應淬火工序，并且要求沿齒廓淬火硬化，齒面硬度提高到45～55HRC；使齒面接觸應力提高到1050MPa，有效避免了齒面點蝕現象的發生。

（3）設備在船上安裝提出安裝精度要求，要求船上焊接底座嚴格按照對稱焊接，減少變形，平面度誤差控制＜0.5mm；設備安裝后再用箱體底腳調節螺栓予以調平校正，誤差控制＜0.2mm。

（4）漁民操作前要做到崗前培訓，做到規范操作。

6. 結語

經過以上方案處理，后續設備齒輪經過多年的實船使用，沒有再出現類似的點蝕現象。