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試中發生異常開裂，經宏觀觀察、掃描電鏡及光學顯微鏡分析后發現，齒輪軸局部出現扭轉變形，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過載導致的。調試過程中，齒輪軸因運轉受阻出現過載，當過載超過其許用應力時，齒輪軸開始發生少許變形，進而在應力集中部位開裂，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、環保、國防等國民經濟各個領域。它的主要傳動零件是齒輪、軸、軸承，三者之間相互聯系相互影響，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，軸的撓度和扭轉角增大，將引起彎曲應力和扭轉應力增加，加快軸的疲勞失效，隨著時間的推移，造成軸的彎曲和扭轉變形。同時，軸頸和軸承內圈形成邊緣接觸式運轉，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外圈接觸處受脈動循環應力的作用產生的；磨損是滾動體和內外圈相互摩擦運動、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， 存在重載啟動現象。經現場人員調查測量，現場其他同批帶式輸送機安裝存在問題，驅動軸安裝同心度存在超差。結合試驗，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彎曲力，同時存在重載啟動現象。致使該軸受到較大的額外應力，在表面過早產生疲勞裂紋源，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 系統性分析

2.1 常規分析

引起齒輪碎裂和軸斷裂的常見原因有齒輪及軸設計不合理、強度不夠、加工質量存在缺陷、材料選用不當或熱處理質量不合格等，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生斷裂，軸斷裂后齒輪傳動一端失去束縛，傳動過程中發生跳動磕打導致齒輪碎裂。

2.2 逐項排查

(1)設計因素。該產品是成熟設計，之前未發生過類似問題，且廠內相同產品在使用5年內沒有發生過類似故障，排除設計缺陷問題。(2)加工精度。對齒形、齒側間隙等進行測量，測量結果顯示齒輪加工精度滿足標準要求。(3)潤滑質量。對齒輪箱內潤滑油進行油質檢測，除油質內含有齒輪碎裂金屬物質外，油質符合標準要求。(4)裝配質量。拆除齒輪箱輸入、輸出聯軸節，對齒輪輸入、輸出軸進行手盤檢驗，齒輪轉動平滑，無任何滯澀現象，排除齒輪箱因裝配精度、軸承等問題發生齒輪斷裂。(5)金相檢查。測量齒輪表面、心部硬度并進行金相分析，排除熱處理質量問題導致齒輪碎裂。(6)驅動皮帶張力檢查。發現皮帶安裝過緊，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，可以排除皮帶張緊力因素。

3 分析與討論

分析可知，齒輪軸材質符合要求，原材料中雖有1.5級硫化物夾雜，但符合技術要求。齒輪軸經滲碳淬火回火后，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定組織，易導致零件尺寸發生變化，增大畸變量。殘留奧氏體轉變的馬氏體量雖少，但卻會使鋼的脆性明顯增大。對不同承載能力的滲碳件，殘留奧氏體應有一個最佳范圍，通常認為殘留奧氏體量在20%(體積分數)以下是允許的。

齒輪軸經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齒輪軸時發現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，齒輪軸在校直過程中反復受力，造成較大的應力集中，當應力超過一定值時，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力過大，造成斷裂。建議優化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，減小應力集中，避免斷裂。

結語

在實際生產中，齒輪減速器傳動零件相互引起的失效不是獨立出現的，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，對發現的問題和出現的失效現象按照不同種類認真分析和判斷，找出失效產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，而且也能提高生產效率，保障安全生產，創造經濟價值。

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