闡析減速機高速齒輪軸的斷裂

楊　麗　趙雅東（北方重工集團有限公司傳動設備分公司，遼寧 沈陽 110860）

闡析減速機高速齒輪軸的斷裂

楊麗趙雅東
（北方重工集團有限公司傳動設備分公司，遼寧 沈陽 110860）

摘 要：減速機設備的穩(wěn)定運行和高速齒輪軸有著直接的關系。因此認真的研究減速機的高速齒輪軸的性能和易出現(xiàn)故障的位置非常有必要。本文就通過闡述減速機高速齒輪軸的斷裂位置進行具體的分析。我們要分析高速齒輪軸的斷裂裂口的宏觀特征，同時要分析齒輪軸的表面金相組織及化學成分，通過這些物理學的性質(zhì)來進行測試。本文的數(shù)據(jù)全部是通過實驗得來的。通常減速機的高速齒輪軸的材質(zhì)為42CrMo。但是在實際的生產(chǎn)中，生產(chǎn)廠家往往會通過類似的材質(zhì)來進行替換，為的就是節(jié)省成本。但是替代齒輪軸的材質(zhì)通過熱處理后，硬度還是達不到要求。本文就是針對這方面的內(nèi)容來進行闡述。

關鍵詞：減速機；高速齒輪軸；斷裂；失效；魏氏體組織

本文運用實際生產(chǎn)中的實際例子進行說明。一家生產(chǎn)減速機備件的廠家，在生產(chǎn)齒輪軸后的實際應用中，出現(xiàn)了軸斷裂的現(xiàn)象。查找設計部門設計的齒輪軸的材質(zhì)和相關的技術(shù)要求，齒輪軸的生產(chǎn)材質(zhì)是42CrMo的鍛鋼件，齒輪軸的硬度在HB272-301，在進行加工的前期要進行調(diào)質(zhì)處理。在調(diào)質(zhì)后，要從宏觀上觀察齒輪軸的端口位置的金相組織。認真的進行相應的觀察來有效的避免類似齒輪軸的斷裂。用實驗數(shù)據(jù)來論證齒輪軸的理論支持。

關于減速機高速齒輪軸的試驗檢測結(jié)果的分析和論述，本文從四個方面進行論述。第一個方面是減速機高速齒輪軸的端口位置宏觀金相的觀察結(jié)果。第二個方面是減速機高速齒輪軸的金相的化學成分結(jié)果。第三個方面是減速機高速齒輪軸金相的金屬顯微組織。第四個方面是減速機高速齒輪軸的硬度檢測。下面進行詳細的分析和闡述。

（1）簡述減速機高速齒輪軸的端口位置宏觀金相的觀察結(jié)果。

減速機高速齒輪軸最容易發(fā)生斷裂的位置就是軸和軸之間的結(jié)構(gòu)過渡位置和連接位置。在軸和軸連接的位置是軸徑發(fā)生變化的位置，軸最容易斷裂的位置是軸徑最小的位置。軸和軸之間的連接位置的圓角由于結(jié)構(gòu)的不同會出現(xiàn)應力集中的為題。這是由于軸的截面的形狀的改變和軸間處的位置的相對幾何位置關系一直處于一種垂直的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)必然會形成應力的響度集中問題。齒輪軸的端口位置的常見的形態(tài)就是兩種，第一種是具體很高的脆度；第二種是端面的平整度較高。在實際的常見問題中，集中扭轉(zhuǎn)應力引發(fā)的齒輪軸的斷裂是較為常見的一種。

齒輪軸出現(xiàn)斷裂的最根本的原因是受到了外力的影響，同時齒輪軸的鍵槽位置也是一個非常重要的斷裂原因。根據(jù)試驗得出的數(shù)據(jù)可知，軸的受力和軸的半徑的尺寸大小呈現(xiàn)出一種反比例的關系。這也就是說，軸的軸徑越小會承受較大的外部應力。齒輪軸的鍵槽的根部是整個軸的軸徑最小的位置，因此這個位置會常常出現(xiàn)外部應力相對集中的現(xiàn)象，承受的拉力過大就導致了齒輪軸的鍵槽位置發(fā)生斷裂。齒輪軸的鍵槽位置一旦沒有進行相應的熱處理工藝，就會出現(xiàn)由于應力疲勞產(chǎn)生的裂紋，這種情況對于齒輪軸的危害是非常大的，這樣會導致齒輪軸的提前失效，大大的減小了齒輪軸的使用壽命，進而影響了整個減速機的使用性能。齒輪軸的斷裂位置外部表現(xiàn)為裂紋的位置較為光滑，同時裂紋的延伸位置面積較大，常見的裂紋延伸面積可能達到了整個齒輪軸的2/3。在靠近裂紋的瞬間斷裂位置，常常位于軸和軸連接軸徑發(fā)生變化的位置，這種瞬間斷裂的區(qū)間，面積不大，同時齒輪軸的表面不光滑。通過這種現(xiàn)象我們可以初步斷定，齒輪軸的斷裂現(xiàn)象是由于應力疲勞引發(fā)的。

（2）簡述減速機高速齒輪軸的金相的化學成分結(jié)果。

針對齒輪軸的金相的化學成分的分析，我們在試驗中使用的測量儀器是直讀光譜儀，其型號是ARC-MET8000。通過直讀光譜儀的數(shù)據(jù)研究，我們就會得出相應的金相結(jié)果并整理出相應的金相數(shù)據(jù)表格。根據(jù)試驗得出，此次斷裂的齒輪軸采用的材質(zhì)不是設計圖紙中要求的42CrMo，而是采用的50號鋼，這種調(diào)質(zhì)鋼的硬度和各種物理性能都沒有42CrMo的材質(zhì)性能好。

（3）簡述減速機高速齒輪軸金相的金屬顯微組織。

關于這部分的金屬顯微組織的觀察，我們首先要進行齒輪軸的取樣處理，將取樣的齒輪軸樣品用硝酸溶液進行腐蝕處理，試驗中使用的硝酸溶液的濃度為4.2%。在硝酸溶液的使用中搭配酒精，這兩者的混合溶液的腐蝕效果是非常好的。在腐蝕處理一段時間后，我們使用金相顯微鏡進行齒輪軸樣品的觀察。斷裂的齒輪軸的顯微組織顯示的物理結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀分布的鐵素體，同時還伴有片狀的珠光體。這些現(xiàn)象和42CrMo的物理現(xiàn)象是非常不符的。42CrMo的顯微鏡顯示是回火索氏體，同時伴有少量的鐵素體，這種現(xiàn)象就表明了本次使用的齒輪軸的生產(chǎn)材質(zhì)并不是圖紙中要求的42CrMo，而是普通鍛鋼50號鋼，同時還沒有按照圖紙的技術(shù)要求進行相應的調(diào)質(zhì)處理。

索氏體經(jīng)過相應的調(diào)質(zhì)處理后，顯示出較高的強度，同時韌性也是非常好的。這種性能就決定了齒輪軸加工后的零件具有非常好的韌性和強度。高韌性和高強度就決定了齒輪軸的抗斷裂性非常好，有保障。鋼的抗拉強度并不會由于魏氏組織的存在而發(fā)生顯著地變化，但是對于鋼的塑性的降低卻有著很明顯的影響。尤其是抗沖擊的韌度，在很大程度上有所降低。經(jīng)常伴隨魏氏組織共同出現(xiàn)的便是體積很大的奧氏體晶粒，對于鋼的力學性能也有很大程度的影響。魏氏組織是由于在加熱過程中沒有進行好對于溫度的控制操作，溫度過于高所導致的。

魏氏體的組織會通過不同的溫度產(chǎn)生不同的性能，一旦溫度處理的過高就會導致齒輪軸的性能中的韌性降低，從而導致了齒輪軸容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

（4）簡述減速機高速齒輪軸的硬度檢測。

通過一系列的試驗數(shù)據(jù)可以看出，斷裂的齒輪中的硬度是210HB，這種硬度遠遠沒有達到設計圖紙要求的齒輪軸的硬度在HB272-301的范圍內(nèi)，這種硬度條件就從側(cè)面上印證了斷裂的齒輪軸沒有按照設計圖紙中要求的調(diào)質(zhì)熱處理進行生產(chǎn)，還有可能直接忽視了調(diào)質(zhì)處理這一工藝過程。

參考文獻

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