分析減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效及處理

黃運(yùn)敏

（廣西魚(yú)峰水泥股份有限公司 廣西柳州 545008）

某生產(chǎn)企業(yè)所用減速機(jī)高速軸突然產(chǎn)生早期斷裂現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看可知，電機(jī)和減速機(jī)間的耦合器均已完全脫離，且殼體破碎，其它和這一高速軸一同參與運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪軸，均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形。此高速軸屬于典型的齒輪軸，發(fā)生斷裂后齒面依然保持完好，未發(fā)生變形與斷齒。現(xiàn)圍繞這一減速機(jī)高速軸實(shí)際情況，對(duì)其斷裂失效作如下深入分析。

1 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂檢測(cè)

1.1 基礎(chǔ)資料收集

基礎(chǔ)資料的收集是進(jìn)行減速機(jī)高速齒輪軸斷裂檢測(cè)工作的重要基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)檢測(cè)工作的正常開(kāi)展，以及得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果均有重要作用和意義，應(yīng)引起相關(guān)人員的重視。此次研究的主要對(duì)象為3C710NE型減速機(jī)，其速比、輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速分別為1：2.034、710kW和741r/min。根據(jù)生產(chǎn)單位提交的相關(guān)工藝圖紙，其硬度需要達(dá)到59-62HRC的要求[1]。

1.2 主要成分檢測(cè)

對(duì)于該減速機(jī)，其高速齒輪軸以17CrNiMo6鋼為主要原材料，在取樣后，用光譜測(cè)定儀與碳硫儀進(jìn)行成分含量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果為：碳含量0.18%、錳含量0.57%、硅含量0.27%、磷含量0.011%、硫含量0.003%、鉻含量1.73%、鎳含量1.55%、鉬含量0.28%。通過(guò)對(duì)相關(guān)資料的查證可知，該原材料為德國(guó)牌號(hào)，成分方面的技術(shù)要求為：碳含量在0.15～0.19%范圍內(nèi)、錳含量在0.40～0.60%范圍內(nèi)、硅含量在0.15～0.40%范圍內(nèi)、磷含量不得小于0.025%、硫含量不得小于0.025%、鉻含量在1.50～1.80%范圍內(nèi)、鎳含量在1.40～1.70%范圍內(nèi)、鉬含量在0.25～0.35%范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比可知，該件硫、磷等元素含量滿足技術(shù)要求[2]。

1.3 主要夾雜物的檢測(cè)

取樣后將其加熱到900℃，恒溫保持45min之后，隨爐冷卻處理后金相制樣觀測(cè)，并和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比與綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)評(píng)價(jià)，該件夾雜等級(jí)為1，可以滿足技術(shù)要求。

1.4 主要力學(xué)性能檢測(cè)

為對(duì)該件原材料各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)線切割制得拉伸試樣與沖擊試樣。其中，拉伸試樣屬于非標(biāo)準(zhǔn)形式的板狀試樣，其截面面積為4mm×10mm；而沖擊試樣則屬于U型缺口形式的試樣。

1# 拉伸試樣的 σs為 575.6MPa，σb為 1072.5MPa，δ為 24%，ψK為46.089%；2#拉伸試樣的 σs為 427.2MPa，σb為 1068.5MPa，δ 為 23.23%，ψK為 46.205%；σs的平均值為 501.4MPa，σb的平均值為 1070.5MPa，δ 的平均值為23.62%，ψK的平均值為46.147%。1#沖擊試樣的AXU為71.5J，aKU為 89.4J/cm2；2# 沖擊試樣的 AXU為 82.0J，aKU為 102.5J/cm2；AXU的平均值為76.8J，aKU的平均值為95.9J/cm2。

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，該件原材料在熱處理后，通過(guò)和相關(guān)資料的比對(duì)，在所有力學(xué)性能當(dāng)中：塑性指標(biāo)相對(duì)較好，有較強(qiáng)沖擊韌性，且斷裂極限處在正常狀態(tài)，但屈服極限指標(biāo)相對(duì)較低。采用經(jīng)驗(yàn)公式，可對(duì)疲勞極限進(jìn)行估算，結(jié)果為424.4MPa。此外，在軸鍵槽的根部，其半徑相對(duì)較小，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，承擔(dān)極大拉應(yīng)力，若未對(duì)其進(jìn)行有效處理，將產(chǎn)生疲勞裂縫，最終導(dǎo)致早期失效[3]。

1.5 HRC檢測(cè)

對(duì)軸內(nèi)截面與外柱面進(jìn)行取樣檢測(cè)，其結(jié)果為：外柱面的硬度分別為 35、33.5、38、37、37、36.8、37、35.8，平均值為 36.2；內(nèi)截面分三個(gè)區(qū)域，截面邊緣的硬度分別為34.5、33.0、33.3、33.9，平均值為33.7；過(guò)渡區(qū)域的硬度分別為 34.5、34.0、36.0、34.5、35.5，平均值為 34.9；截面心部的硬度分別為 36.0、36.0、36.0、37.5、38.0，平均值為 36.7。從以上結(jié)果可以看出，該件硬度為35-38HRC，未能達(dá)到要求，即59-62HRC，而且和其它相關(guān)資料提出的要求也有很大差距。

2 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂宏、微觀分析

2.1 宏觀分析

宏觀分析是指人員利用肉眼對(duì)高速軸進(jìn)行觀察，根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)確定高速軸基本情況，找出異常和特征處所在。雖然斷口的擦傷破壞已經(jīng)十分嚴(yán)重，但在從斷裂特征可以看出，并不存在在發(fā)生斷裂前有較大塑性變形現(xiàn)象的痕跡，在宏觀特性方面，可將其定義成脆性斷裂。對(duì)件進(jìn)行取樣測(cè)試后得知，屈服極限相對(duì)較低，但塑性指標(biāo)與沖擊韌性卻依然良好，而斷裂過(guò)程中，韌、塑性并未充分體現(xiàn)，說(shuō)明疲勞斷裂和斷裂特征完全相符，無(wú)法支持瞬間斷裂。通過(guò)對(duì)斷口的觀察，可發(fā)現(xiàn)其具有顯著的疲勞斷裂特點(diǎn)，即疲勞貝紋線，而疲勞貝紋線的所在區(qū)域就是裂紋主要萌生區(qū)。

2.2 顯微組織分析

對(duì)件的表面與心部進(jìn)行取樣觀察和分析，處在軸表面和心部的組織并無(wú)本質(zhì)上的差別，這說(shuō)明表面上不存在進(jìn)行過(guò)熱處理的痕跡。基于此，還對(duì)顯微硬度進(jìn)行了檢測(cè)，同樣未能發(fā)現(xiàn)明顯差異。

2.3 顯微硬度檢測(cè)

對(duì)件外表面上的橫截面進(jìn)行取樣檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，件表面、心部和過(guò)渡層三部分的顯微硬度沒(méi)有明顯差異，不存在進(jìn)行過(guò)熱處理的痕跡。

2.4 微觀分析

微觀分析是指利用專門的儀器對(duì)高速軸上肉眼無(wú)法觀察的部分進(jìn)行仔細(xì)分析。在實(shí)際的分析過(guò)程中，為驗(yàn)證件的疲勞特性，對(duì)斷口實(shí)施分截與切割，對(duì)處在裂紋區(qū)域的部位實(shí)施掃描分析，由此可以觀察到塑性疲勞條紋，說(shuō)明該件失效于疲勞斷裂。

3 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效原因與處理

通過(guò)細(xì)致、全面的斷口分析，此減速器高速軸發(fā)生的斷裂，在方式上主要為疲勞斷裂，同時(shí)斷口上存在若干疲勞裂紋源。除此之外，對(duì)該件所用原材料各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示其屈服極限相對(duì)較低，并對(duì)件的硬度進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)此件有進(jìn)行過(guò)熱處理的明顯痕跡，也未能達(dá)到預(yù)期的硬度要求，表面強(qiáng)度難以達(dá)到規(guī)范要求，導(dǎo)致在表面和鍵槽等處產(chǎn)生一定數(shù)量的疲勞裂縫源，縮短其使用壽命，最終產(chǎn)生疲勞破壞。

需要注意的是，此高速軸屬于典型的齒輪軸，發(fā)生斷裂后，齒面依然保持完好，未發(fā)生變形與斷齒，同時(shí)也不支持瞬間斷裂。其它和這一高速軸一同參與運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪軸，均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形，推測(cè)產(chǎn)生在高速軸發(fā)生疲勞斷裂以后，與之相連的耦合器殼體由于離心力相對(duì)較大而被直接甩出的過(guò)程當(dāng)中。與此同時(shí)，在發(fā)生破壞的具體過(guò)程中，液力耦合器外殼和高速軸的斷面產(chǎn)生一定擦碰擠壓作用，致使斷口出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，但被取走的部分，由于在殼軸套中得以有效保護(hù)，所以未發(fā)生嚴(yán)重破壞。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可得出下列結(jié)論：

（1）此減速器高速軸發(fā)生斷裂的主要方式屬于多源式疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，通過(guò)觀察，主裂紋源產(chǎn)生在鍵槽上的受力面；

（2）通過(guò)檢測(cè)，減速器高速軸主要原材料各類成分含量與夾雜物含量及級(jí)別都能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的具體要求；

（3）經(jīng)檢測(cè)，此減速器高速軸表面硬度僅有35～38HRC，而內(nèi)部硬度也只有36～38HRC。對(duì)于表面硬度，未能滿足生產(chǎn)方提出的必須達(dá)到59～62HRC的具體要求，同時(shí)也未能檢測(cè)到在表面采用了硬化層，說(shuō)明其硬化處理不到位；

（4）此減速器高速軸的所有力學(xué)性能當(dāng)中，僅屈服極限相對(duì)較低，此軸鍵槽根部處于工作狀態(tài)時(shí)，將承擔(dān)很大的拉應(yīng)力，且這一拉應(yīng)力為集中分布形式，若未對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的處理，則將在此處產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致此減速器高速軸徹底失效。