柱塞泵齒輪斷裂失效分析*

張 斌，王傳鴻，劉江凱

(中石化石油機械股份有限公司 四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434010)

0 引 言

柱塞泵是提高原油采收率的重要設備，隨著頁巖氣等非常規油氣資源的開發需求，柱塞泵工作壓力和負載不斷增加，對其安全性和耐久可靠性提出了更高要求[1]。柱塞泵一般采用齒輪傳動將動力源的旋轉運動減速后，帶動曲柄轉換成柱塞的往復運動。齒輪傳動需要長時間承受高速重載的作用，齒輪失效成為影響柱塞泵性能與可靠性的關鍵因素[2]。在服役過程中，齒輪存在齒輪齒斷裂、點蝕等多種失效形式，對齒輪失效機理的分析，是完善相關裝備及零部件的設計標準的重要依據[3]。特別在高速重載工況下，齒輪斷裂是一種嚴重且常見的失效形式，直接導致裝備損壞甚至安全事故[4-5]?，F有對重載齒輪斷裂問題的研究主要集中在直齒齒輪分析方面，2500型柱塞泵系統中采用的斜齒齒輪系統還涉及較少。

針對出口美國的1臺2500型柱塞泵中的齒輪兩次斷裂失效實例進行機理分析，為2500型柱塞泵齒輪傳動系統的設計和制造提供科學依據。

1 齒輪傳動結構與斷裂失效問題

2500型柱塞泵齒輪傳動結構如圖1所示，一個動力端總共有1個小齒輪軸和兩個大齒輪，小齒輪軸的兩側分布2個小齒輪，通過斜齒驅動2個大齒輪，采用對稱的漸開線斜齒設計，實現軸向載荷平衡。小齒輪軸承與殼體采用銷固定，并在軸向方向上留有間隙，保證在齒輪配合過程中小齒輪可以沿軸向方向小幅度調整，保證兩側齒輪同步嚙合。齒輪輪廓經過磨削加工，保證齒形的精度和齒廓表面的光滑性。

圖1 2500型柱塞泵齒輪傳動結構

在2500型柱塞泵正常工作4月后，大齒輪發生了從齒根部到頂部，長度為齒寬1/2的斷裂，如圖2所示。

圖2 齒輪斷裂照片

斷裂角為45°(見圖2c)，斷裂的同側還有存在29個明顯的齒根處裂紋，齒輪斷面存在顯著的應力紋(見圖2b)，表明這是高負載下的疲勞斷裂[6]。大齒輪失效后進行了更換，1月后，未替換的小齒輪發生4個齒在根部斷裂，從斷裂面分析為脆性斷裂(見圖2c)。需要指出的是，更換的大齒輪與原始齒輪模組供應商不同，因此齒輪的加工工藝差異可能帶來齒輪輪廓上的偏差。

2 斷裂失效分析

2.1 齒輪強度

大齒輪材料為42CrMo，小齒輪材料為20CrMnMo，兩個齒輪材料的化學成分測試如表1所列，大齒輪材料Cu元素輕微超差，小齒輪材料Ni、Cu元素輕微超差，但是總體上材料成分在允許范圍內，可以認為大、小齒輪材料符合要求。

表1 材料化學成分測試結果

大、小齒輪表面采用電磁感應淬火對材料進行表面硬化處理，齒輪表面硬度要求與實測結果如表2所列。考慮到電磁感應淬火為了防止邊緣開裂，一般在齒輪端面功率會有所降低導致硬度下降，硬度測試樣品從距離齒輪端面15 mm切片。從表2可以看出，大、小齒輪表面硬度和芯部硬度均符合設計標準值范圍，但是有效硬化深度值比設計標準值偏低。大齒輪表面硬度分布如圖3所示，可以看出，硬度在齒廓分布并不均勻，因此電磁感應淬火工藝導致硬化層分布不均勻，有效硬化深度值不達標是大齒輪斷裂的原因之一[7]。特別是齒根處，由于電磁感應淬火收到齒輪形狀的限制，有效硬化深度僅0.7 mm，成為高負載下的裂紋的萌芽處，最終導致大齒輪從根部疲勞斷裂。

表2 硬度要求與測試結果

圖3 大齒輪表面硬度分布

2.2 齒輪裝配與嚙合

大齒輪齒數108，小齒輪齒數17，法向模數8.467 mm，螺旋角21.003°，壓力角25°。大、小齒輪的精度均為6級。從齒輪精度的測量結果看，齒輪的加工精度較高，理論上不會影響齒輪的嚙合。

當大、小齒輪嚙合時，他們表面在嚙合線處接觸，斜齒的嚙合線覆蓋齒底到齒頂的全部區域。在工作載荷下，嚙合線變得光亮，所有嚙合線一起構成了接觸圖案，反映了齒輪嚙合和失效過程[8]。圖4(a)顯示了接觸圖案出現在失效的大齒輪的一側，這是齒輪載荷承載在部分齒輪齒表面造成的典型失效，通常導致點蝕或者齒輪齒斷裂。大齒輪經過維修更換后，接觸圖案如圖4(b)所示，可以看出與小齒輪構成了完整的接觸。需要指出的是圖4(a)和圖4(b)所示齒輪是先后與同一個小齒輪裝配在一個箱體中。圖4(c)和圖4(d)分別為小齒輪工作面和非工作面的接觸圖案，在小齒輪的非工作面出現了接觸圖案，這意味著與大齒輪的裝配出現了問題，承受了較大的反向載荷[9]。

圖4 齒輪嚙合表面接觸圖像

在小齒輪的拆卸過程中，我們發現右側軸承與內套脫落，內套有0.23 mm的金屬磨損，原有與傳動軸的過盈配合被破壞，這是由于軸承內圈與傳動軸外部長時間的摩擦載荷導致的。損壞的軸承不能有效支撐小齒輪導致小齒輪齒承受額外的沖擊載荷，導致齒輪齒的脆性斷裂。也有可能當大齒輪第1次失效后，小齒輪也可能已經存在小的裂紋損傷，更換后的大齒輪與原有大齒輪的供應商不同也可能導致大小齒輪嚙合效果退化。圖5是傳動軸左右兩側軸承圖像，從圖中可以看出，左軸承通常在兩排滾子上工作，右軸承只有一排滾子上工作，這意味著右軸承已經承受了軸向載荷。這種情況經常發生在齒輪的裝配問題造成的，導致1個大齒輪接觸前表面，另一個大齒輪接觸后表面，這種裝配問題一般伴隨著小齒輪無法移動。進一步的三維測量結果顯示，大齒輪和小齒輪的中心線的并行度精度不是太高。當柱塞泵工作時，軸向載荷將作用在軸承上。此外，軸承也可能在第一次大齒輪故障中就發生了失效。

圖5 傳動軸左右兩側軸承圖像

根據上述分析可知，嚙合不良(接觸)是首次大齒輪故障的主要原因，通過電磁感應淬火獲得的齒輪芯部硬度不足也是導致大齒輪從齒根部疲勞斷裂的原因。軸向載荷導致小齒輪傳動時存在沖擊，導致了第2次小齒輪齒的脆性斷裂，也不排除齒輪嚙合精度的劣化或大齒輪失效時引起的小齒輪損傷。

3 結 語

針對油田系統2500型柱塞泵設備中大、小齒輪兩次斷裂失效的典型案例進行了失效機理分析。我們發現在高工作負載狀況下，齒輪的嚙合精度、齒輪的有效硬化深度特別是根部的有效硬化深度是造成曲軸上大齒輪失效的主要因素。同時，雖然通過斜齒設計實現軸向載荷平衡，但是在裝配過程中應該盡量減小裝配誤差避免軸向載荷，防止小齒輪傳動時的沖擊。此外，當齒輪發生失效時，應該同時對齒輪對進行更換，保證齒輪嚙合的精度和預防齒輪微觀損傷。上述結論為柱塞泵齒輪傳動系統設計的可靠性和制造工藝性提供了科學依據。