減速機(jī)高速軸斷裂原因分析

黃衛(wèi)東

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

某熱電廠7號鍋爐的乙側(cè)磨煤機(jī)正常運(yùn)行電流為72.45 A，在運(yùn)行過程中電流瞬間降低至34.31 A，經(jīng)現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，乙側(cè)磨煤機(jī)的電機(jī)仍在運(yùn)行，但磨煤機(jī)的減速機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)減速機(jī)的高速軸已經(jīng)發(fā)生斷裂(位于3瓦軸承側(cè))。

高速軸為減速機(jī)原裝的齒輪軸，于2008年投用，材質(zhì)為37SiMn2MoV。為查找高速軸的斷裂原因，進(jìn)行了以下檢驗(yàn)分析。

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 宏觀檢驗(yàn)

高速軸斷裂于減速機(jī)輸入端的軸承安裝部位，軸徑160 mm，斷裂面靠近軸肩處，距倒角處約3～5 mm，見圖1～圖2。由圖可見，斷口整體較為平齊，可區(qū)分出裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，裂紋源區(qū)有貝殼狀條紋，并伴有多條撕裂棱，具有多源疲勞開裂特征【1】。斷口上瞬斷區(qū)的面積不足橫截面積的20%，由此可斷定該高速軸斷裂前并未出現(xiàn)明顯過載現(xiàn)象，見圖3～圖6。

斷軸外表面存在明顯的金屬剝離痕跡，剝離層沿圓周分布，與軸承的安裝位置基本對應(yīng)，剝離層厚度為1～2 mm，見圖7～圖8。

圖1 齒輪側(cè)斷軸

圖2 軸承側(cè)斷軸

圖3 齒輪側(cè)斷口

1.2 化學(xué)成分分析

在斷軸芯部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果(見表1)顯示，斷軸的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。

圖4 軸承側(cè)斷口

圖5 裂紋源區(qū)的放射狀條紋(6.5×)

圖6 擴(kuò)展區(qū)的條帶形貌(6.5×)

圖7 軸承接觸部位的表面剝離層

圖8 斷軸橫向截面上的剝離層(6.5×)

同時，對斷軸表面取樣進(jìn)行碳含量檢測，結(jié)果顯示，其表面含碳量為0.26%，明顯低于基體的碳含量0.39%。

表1 斷軸芯部化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

1.3 能譜分析

由于斷軸表面的碳含量明顯低于基體，初步分析斷軸表面可能進(jìn)行了化學(xué)處理。對斷軸沿直徑方向切割取樣，拋磨后用5%硝酸酒精腐蝕，明顯可見3個不同的顏色區(qū)域：表面光亮層、中間黑色過渡層和內(nèi)部基體。其中，表面光亮層的深度約1～2 mm，中間黑色過渡層深度約3～4 mm，見圖9。

對表面光亮層和黑色過渡層進(jìn)行元素能譜分析，發(fā)現(xiàn)表層金屬中氮含量明顯高于正常金屬的范圍，見圖10。因此，分析認(rèn)為，斷軸表層進(jìn)行了滲氮處理。

圖9 斷軸端面腐蝕后宏觀形貌

圖10 表層金屬能譜檢測譜

1.4 硬度檢驗(yàn)

應(yīng)用顯微硬度計(jì)對圖9中的表面光亮層進(jìn)行硬度測試，平均硬度值為220 HB(約20.0 HRC)。應(yīng)用洛氏硬度計(jì)沿直徑方向進(jìn)行硬度測試(見圖11，其中1、5、6、9號測點(diǎn)為黑色過渡層部位)，測試結(jié)果見表2。從表2中可以看出，斷軸過渡層的硬度值顯著高于基體和表面光亮層，即表層附近的硬度梯度變化較大。

圖11 斷軸硬度檢驗(yàn)示意表2 硬度檢測結(jié)果

部位硬度值/HRC部位硬度值/HRC154.6652.7221.7720.8322.3821.0422.3954.9555.5

1.5 金相檢驗(yàn)

對斷軸端面取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，表面光亮層(即滲氮處理中的化合物層)分布有黑色點(diǎn)狀孔洞，按文獻(xiàn)【2】評級，疏松等級為2～3級，基本符合一般零件要求，見圖12～圖13。

圖12 光亮層中夾雜物(100×,未腐蝕)

圖13 光亮層的組織(200×)

金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在表面化合物層和過渡層之間存在針狀的氮化物組織，見圖14～圖15。針狀的組織會使化合物層變得很脆，容易發(fā)生剝落，不符合零件滲氮的質(zhì)量要求。

圖14 過渡層中針狀組織(200×)

圖15 過渡層中針狀組織(500×)

同時，金相檢驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)過渡層中靠近化合物層側(cè)存在環(huán)向和徑向的微裂紋，部分微裂紋已相互連接，見圖16～圖19。裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，屬于表面滲氮處理中產(chǎn)生的剝離裂紋。

圖16 過渡層中的周向裂紋(50×)

圖17 過渡層中的周向裂紋(100×)

在黑色過渡層中，存在著網(wǎng)狀的氮化物， 按文獻(xiàn)【2】評級， 氮化物等級為2～3級，基本符合一般零件要求，見圖20～圖21。

圖18 過渡層中的徑向裂紋(50×)

圖19 過渡層中的徑向裂紋(200×)

圖20 過渡層中的網(wǎng)狀組織(100×)

圖21 過渡層中的網(wǎng)狀組織(200×)

斷軸中部及芯部的基體組織為回火索氏體，組織較均勻，局部有少量夾雜物，見圖22～圖23。

圖22 斷軸中部組織(200×)

圖23 斷軸芯部組織(200×)

1.6 力學(xué)性能試驗(yàn)

將斷軸去除表面的滲氮層，沿軸向取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表3。由表3可見，斷軸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于37SiMn2MoV的規(guī)定。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

1.7 運(yùn)行工況分析

查閱減速機(jī)的運(yùn)行檢修記錄，此次斷裂的高速軸為減速機(jī)原裝齒輪軸，斷裂前已累計(jì)運(yùn)行5.5萬h。由高速軸的轉(zhuǎn)速1 000 r/min計(jì)算，得出斷軸斷裂前的累計(jì)循環(huán)次數(shù)為3.3×109次。

2012年11月對減速機(jī)進(jìn)行檢修，更換了 3號瓦側(cè)軸承；2014年5月檢修，更換了4號瓦側(cè)軸承；2017年10月檢修，將軸承全部更換，但歷次檢修均未對斷軸進(jìn)行無損檢測。

查閱減速機(jī)2017年5月～11月的軸承振動檢測記錄(車間自測)，顯示其最大位移值為6×10-2mm(標(biāo)準(zhǔn)值8×10-2mm)，未發(fā)現(xiàn)振動超標(biāo)現(xiàn)象。運(yùn)行期間，電機(jī)的電流值一直較為穩(wěn)定，減速機(jī)未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

2 失效原因分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷軸的化學(xué)成分、基體硬度符合設(shè)計(jì)要求。由于減速機(jī)運(yùn)行中無電流過載和振動異常等現(xiàn)象，且斷軸斷口的瞬斷區(qū)面積又較小，因此，可排除運(yùn)行中異常工況波動引起軸斷裂的可能性。

宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷口整體呈多源疲勞斷裂特征，邊緣存在1～2 mm的金屬剝離層(表面化合物層)，疲勞裂紋正是起源于剝離層下，與金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的微裂紋位置相符合。

由于軸表面化合物層與過渡層之間存在大量微裂紋和針狀組織，兩者的硬度值又相差較大(約30 HRC)，因此，在循環(huán)載荷的作用下，軸表層的微裂紋會逐漸擴(kuò)展，造成表面化合物層出現(xiàn)剝落；剝落產(chǎn)生的缺口又會加劇應(yīng)力集中，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致高速軸發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)語

某裝置7號鍋爐乙側(cè)磨煤機(jī)減速機(jī)高速軸的斷裂原因?yàn)橹圃熨|(zhì)量不合格，導(dǎo)致其在運(yùn)行中發(fā)生了疲勞斷裂。

4 建議

1) 制造廠應(yīng)加強(qiáng)對軸制造質(zhì)量的控制，確保各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

2) 建議熱電廠對減速機(jī)低速齒輪軸進(jìn)行表面無損檢測。

3) 利用檢修時機(jī)，定期對高速軸進(jìn)行表面宏觀檢查和無損檢測。