大型擠壓造粒機組齒輪箱故障及原因分析

華 強

（中國石化鎮海煉化公司，浙江寧波 315207）

0 引言

因聚烯烴工藝生產的PP/PE 粉料、松密度較低、細粉多、表面積大，易吸收空氣中氧氣及水分而老化且不利于運輸及貯存，為了增加產品的品種，提高產品質量及其穩定性，便于運輸和貯存，所以從反應器生產出的粉料需要通過擠壓造粒機組來成型。該機組由驅動裝置、加料裝置、機筒、螺桿、開車閥、換網器、水下切粒等部分組成，其中主減速箱屬于機組的關鍵傳動部件。下面針對機組檢修過程中發現的主齒輪箱輸入軸換擋齒輪斷齒故障，從理化和力學角度分析失效機理。

圖1 擠壓機主齒輪箱結構示意

1 機組概況

某聚丙烯擠壓造粒機組為國外某廠家生產同向雙螺桿機型，主齒輪箱由電動機驅動，采用雙速閉式齒輪箱，其作用是減速（螺桿轉速比電機低）、分速（兩根螺桿要具有相同的轉速）、變速（螺桿要能高、低速兩檔運轉）和傳遞轉矩，以保證兩個螺桿同向、同步轉動。其中，輸入軸上裝有高低速切換齒套組件，以滿足不同生產負荷需求。

2 失效問題提出

該機組于2010 年2 月正式投運，2014 年5 月按計劃解體大修，檢修前該機組運行平穩，振動正常。拆檢發現主齒輪箱輸入軸高低速換擋齒輪很多部位斷齒，軸上外齒和滑套內齒也有多個齒發生斷裂，嚙合面上均有嚴重擠壓產生的塑性變形痕跡，從斷齒外觀上看好像是疲勞開裂（圖2）。

圖2 主齒輪箱輸入軸換擋齒輪斷齒

軸上內齒斷齒數為15 個，外齒斷齒數為5 個，內齒和外齒均斷裂在同一側，斷裂長度約為齒長的1/4。故障部位齒輪模數為5 mm，內、外齒輪齒數均為66 個，齒寬70 mm。

3 失效原因分析

3.1 斷齒失效機理分析

3.1.1 斷口宏觀分析

從所有斷齒中取出5 個作為樣品分析，這些斷齒均是疲勞斷裂特征，斷口上有明顯的貝殼紋和放射紋，嚙合面有嚴重擠壓塑性變形痕跡。

由圖3 可知，斷裂源位于齒輪外表面，并徑向發展，最終斷裂，有多個疲勞臺階，即有多個疲勞源，也說明該輪齒是多元疲勞斷裂，最后一部分為瞬時斷裂。另外，試樣最后瞬斷區面積很小，說明該齒疲勞裂紋擴展充分，為優先發生斷裂的齒。

圖3 斷裂齒輪宏觀形貌

疲勞斷口有明顯的裂紋起源區、擴展區和最后瞬時斷裂區3 個特征。圖中表現都很明顯，最后瞬時斷裂區的大小說明斷裂時載荷的大小，瞬時斷裂區越小、載荷越小。從這些齒斷口可以看出，每個齒面最后瞬時斷裂區的尺寸不同，這說明這些齒不是同時斷裂的，斷裂時的載荷不同。對于疲勞裂紋擴展充分而瞬時斷裂區小的，應該是先發生斷裂的，而瞬時斷裂區面積大的應該是后發生斷裂的。

3.1.2 斷口掃描電鏡和金相組織分析

對斷口進行掃描電鏡分析，發現幾個齒輪斷口疲勞裂紋擴展充分，瞬時斷裂區很小，應該是先期發生斷裂的齒，圖4 是1#樣品的掃描電鏡低倍照片，表面有明顯的疲勞輝紋，起裂區有明顯的塑性變形。對斷齒擠壓接觸面進行掃描電鏡分析，發現接觸面上有明顯的塑性擠壓痕跡，有明顯的微觀裂紋，同時觀察到沿齒高度方向上的滑移痕跡。

圖4 1#樣品斷口掃描電鏡分析

對失效斷齒樣品進行金相顯微組織觀察，發現齒輪嚙合面處已被擠壓并產生微裂紋，表面組織和內部組織一樣，金相組織為索氏體和上貝氏體。齒輪嚙合面有大量微裂紋，非嚙合面則沒有微裂紋。

3.2 化學成分分析及硬度檢測

3.2.1 化學成分分析

從材料化學成分分析數據看，該齒輪材料為日本JISG 4053—2003 標準的SCM420，與國內合金結構鋼標準GB/T3077—1999 的20CrMnMo 鋼成分相似。

3.2.2 硬度檢測

在失效齒輪的斷口附近取樣檢測硬度，按照GB/T 4340.1—1999《金屬維氏硬度試驗方法》，采用顯微硬度計對試樣表面和心部進行硬度試驗。試驗結果轉換成布氏硬度。輪齒表面硬度266～273 HB，平均269 HB；齒輪心部硬度257～273 HB，平均267 HB。輪齒心部和表面硬度基本一樣，說明表面未進行滲碳等硬化處理，經與廠家確認設計即要求軟齒面。

3.3 齒輪受力分析

3.3.1 基于ANSYS 的有限元分析

委托國內某高校對故障齒輪進行受力情況有限元分析，對輸入軸的剛度進行校核，分析其受力變形情況，下面僅列舉分析計算結果。內齒輪主要受到兩個力矩作用:一是輸入輸出齒輪作用下產生的扭矩；二是齒輪嚙合帶來的反向力矩。電機額定功率10 600 kW，正常情況下功率不超過80%額定功率，即按8480 kW計算得出齒輪轉矩。

通過有限元計算分析，發現內外齒輪的嚙合面處齒根容易產生應力集中，且都出現在內齒輪的內側，而離開齒根到齒嚙合面的另一側所受應力變化不大，基本均勻。這與齒輪從齒根折斷，并且發生在內側、嚙合面塑性變形相吻合。

3.3.2 齒輪軸的剛度校核

最后采用當量直徑法將該齒輪軸轉化為光桿軸，從彎曲和扭轉兩個方面進行校核，計算彎曲變形和位移。

圖5 總體齒輪Von mises 應力圖

圖6 簡化齒輪受力的示意

（1）受徑向力Fr作用。

端點A 處的位移:

（2）受彎矩ME作用。

軸向力產生的轉矩:

不考慮制造等其他因素的理想情況下，齒輪部件的彎曲變形導致的位移為0.028 5 mm，位移不大，但根據有限元模擬，變速檔內外齒輪齒根處的應力變化比較大。

考慮彎曲剛度時，輸入軸理想情況不應該產生彎曲變形，軸沒有擾度和轉角。由于理想處理是各個齒的受力大小的相等，各對齒的圓周力、徑向力、軸向力產生的效果互相抵消，不對軸產生撓度和轉角。而實際情況加工和裝配會存在不均勻，導致載荷分配不均，各對齒輪力不能完全互相抵消，對軸產生撓度和轉角。而且載荷分配不均勻程度越大，各對齒受力相差越大，軸的變形程度越大，軸的撓度和轉角就越大。

4 結論

4.1 齒輪失效的直接原因是微動疲勞斷裂

從齒面的接觸面掃描電鏡形貌分析可以看出，齒面上有明顯的塑性擠壓和滑移痕跡。從有限元分析可以看出，內外齒輪應力集中出現在嚙合面靠近齒根處。而齒輪在運行中沿齒高方向存在微小滑移，在交變應力的影響產生微裂紋，加速疲勞源形成和裂紋擴展，最終疲勞斷裂失效。

4.2 軸剛度不足是導致齒輪失效的根本原因

從受力分析可知，軸的剛度設計裕度不夠，會導致軸產生微小的變形和位移，這對斷面處齒根的應力變化很大，會導致齒根的疲勞破壞。建議提高軸的剛度，齒輪的制造和裝配精度，盡量降低載荷分配的不均勻，減少齒輪間的相對滑動。同時改善換擋齒輪的結構（可以增加齒輪部件的總體軸徑）和齒面材料的特性（如硬度、涂層等）會降低微動疲勞。