減速機弧齒錐齒輪齒面電蝕失效分析

朱孝錄，李東武，薄文麗

1.北京科技大學 北京 100083

2.沃德傳動（天津）股份有限公司 天津 300409

1 序言

由于某種原因（例如軸電流、焊接過電流等），兩齒輪嚙合齒面之間出現一定的電位差，齒面間就會出現電弧或電火花，使齒面上留下電蝕的痕跡——電蝕坑。如果在電子顯微鏡下觀察電蝕的齒面，可以看到電蝕區中有許多邊緣光滑的小弧坑，有時還能看到金屬熔化的痕跡。當電蝕現象嚴重時，齒面損壞很快，齒輪隨之失效[1-3]。

在GB/T 3481—1997 《齒輪輪齒磨損和損傷術語》中，對齒輪電蝕的定義是：由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作用，在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑。齒面有時出現較大面積灼傷，其邊緣呈現回火色。

圖1是由大電流引起嚴重電蝕的齒面形貌。

圖1 由大電流引起嚴重電蝕的形貌

常見的齒輪電蝕有兩種：一是由電動機軸電流引起齒輪電蝕；二是由焊接過電流引起齒輪電蝕。由軸電流引起齒輪電蝕的研究論文和資料較多，但對于由焊接過電流引起齒輪電蝕失效的論文極為少見。本文研究的正是減速機弧齒錐齒輪齒面焊接過電流引起的電蝕失效，對齒面電蝕的形貌進行了宏觀和微觀觀察，分析了電蝕齒面損傷的模式，并提出了防止齒輪電蝕的措施。

2 減速機錐齒輪齒面失效概述

應用于煤礦刮板運輸機的減速機，因運轉中出現振動和異響而下線檢查。減速機的外觀如圖2所示。

圖2 減速機外觀

該減速機的基本信息如下：

電動機功率P=700kW，轉速n=1450r/min，傳動比i=16.03，減速機高速軸直徑d=100mm。

大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位如圖3所示。從圖中可見，大小錐齒輪上只有兩個齒面上有大片剝落的損傷斷口。

大齒輪的損傷齒面如圖4所示，小齒輪的損傷齒面如圖5所示，兩者的齒面損傷區極為相似，是能夠耦合的。

大齒輪其他輪齒的齒面上都有圖6所示的壓痕，小齒輪其他輪齒的齒面上都有圖7所示的壓痕。

這些壓痕是失效齒面（見圖4和圖5）上高低不平斷口，在運轉時輪齒追越造成的。

圖4和圖5所示的齒面損傷是如何產生的？據現場人員反映，在減速機靜止的情況下，曾經動用焊機在與減速機連接的構件上焊接零件，從而造成齒面電蝕損傷。為了查明齒面損傷的原因，進行以下的觀察和分析工作。

圖3 大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位

圖4 大齒輪的損傷齒面

圖5 小齒輪的損傷齒面

圖6 大齒輪其他輪齒齒面上的壓痕

圖7 小齒輪其他輪齒齒面上的壓痕

3 齒面失效形貌的宏觀觀察

從小錐齒輪上切割下來的齒面失效斷口如圖8所示。這是一個很復雜的斷口，其中有深淺坑洼區、邊緣磨平區、未磨平區、脊棱區及焊粒飛濺區等。此外還有斷口周圍的無焊粒飛濺區。

圖8 齒面失效斷口

整個斷口可分為兩大部分：上部和下部。上部圖中可以清晰地看到飛濺的焊粒粘結齒面的痕跡。下部圖中看不到飛濺的焊粒粘結齒面的痕跡，只能看到齒面磨削加工的刀痕。

從上述斷口的宏觀形貌來看，大小錐齒輪遭受焊機焊接時大電流過電電蝕的可能性很大。為此，需要采用齒面斷口電鏡觀察的手段來進一步證實。

4 齒面失效形貌的微觀觀察

為了查明原因，從小齒輪上切取斷口試樣，并將齒面斷口試樣置于電子顯微鏡上觀察斷口的形貌。斷口試樣如圖9所示。圖中畫出了電鏡觀察點的編號：1～15。以下選擇幾個有典型特征的觀察點，做進一步的觀察和分析。

圖9 斷口試樣及觀察點編號

1）觀察點3的電鏡照片（高倍）如圖10所示。圖中直徑約2μm的孔洞很像韌窩，其實是不同大小的電蝕坑。

2）觀察點5位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖11所示。圖中呈現大量孔洞疏松的結構，具有電蝕特征，并有表面磨平的部分。表面疏松是過度電蝕的結果。

圖10 觀察點3的電鏡照片（2000×）

圖11 觀察點5的電鏡照片（200×）

3）觀察點6也位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖12所示。圖中呈現非常清晰的大小不同（φ1～φ4μm）的孔洞，孔洞的邊緣沒有裂紋，這是一種非常典型的電蝕形貌。圖12中可見齒面磨削刀紋，齒面未遭受磨損，因此電蝕坑呈現原始狀態。

在觀察點6的孔洞邊緣表面做能譜成分測定，結果是Cr和Fe；在觀察點6的孔洞內做能譜成分測定，結果是Cr和Fe的氧化物。

4）觀察點8位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖13所示。圖中呈現大量大小不同（φ1～φ5μm）的圓形孔洞，孔洞的周圍沒有任何裂紋，它不是點蝕，而是典型的電蝕形貌。由于電蝕表面經過磨損，因此比較平整。

5）觀察點10也位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖14所示。其斷口呈現非常破碎的形貌，其實質是過度電蝕造成的。

圖12 觀察點6的電鏡照片（1500×）

圖13 觀察點8的電鏡照片（1000×）

圖14 觀察點10的電鏡照片（500×）

圖15 觀察點13的電鏡照片（2000×）

6）觀察點13位于斷口的中部區域，如圖15所示，顯示了運轉后齒面碎裂的形貌。圖中圓形孔洞是電蝕的形貌。

5 齒面失效斷口的分析

1）上述的觀察點5、6、8、10、13的圖片中，都能觀察到大量的圓形蝕坑。這種蝕坑的特征：呈現圓形，周圍沒有任何裂紋，是電蝕坑的典型形貌。

2）電蝕形貌最明顯的觀察點5、6、8、9、10都位于斷口的邊緣，非邊緣部位的電蝕形貌不很明顯，但并不是說沒有受到電蝕，這是因為齒輪運轉破壞了原始的電蝕斷口。

3）齒面電蝕模型可以設想如下：兩個齒面的接觸情況如圖16、圖17所示。如果沒有載荷，其齒面接觸可能是一條線或一個點，但在電蝕的時候，實際上是一個電蝕區（見圖16）。在過電流電蝕時，接觸區遭到電蝕，金屬熔化粘結，但在后來的運轉時，會撕裂齒面的粘結，形成兩個斷口（見圖17）。由于齒面接觸區的圓周速度并不相同（見圖17中v1、v2），經過齒輪多次追越嚙合后，電蝕斷口會在滾動滑動中磨去部分電蝕坑，而在電蝕區的邊緣區域能保留完整的電蝕形貌，這就是電蝕形貌特征最明顯的觀察點5、6、8、9、10、12都位于斷口邊緣的原因。

圖16 兩個齒面的接觸情況示意

圖17 兩個齒面電蝕區的撕裂示意

以上的觀察和分析是最基本的，實際情況要比想象復雜得多，例如粘結點的撕裂、焊點金屬的熔化和焊粒的飛濺等都會影響電蝕斷口的形貌。因此，上述的模型還不足以詮釋全部斷口的形貌特征，但齒面存在電蝕損傷這一點是確信無疑的。

6 失效分析的結論和預防措施

根據以上弧齒錐齒輪齒面斷口的宏觀觀察、微觀觀察和分析，可以得到以下結論：焊接過電流電蝕是刮板運輸機減速機弧齒錐齒輪齒面失效的原因。雖然只有一對齒的齒面出現大面積的電蝕斷口，但也足以破壞齒輪傳動的平穩性，使減速機出現異常的振動和噪聲。這就是減速機弧齒錐齒輪報廢的原因。預防這種焊接過電流電蝕的措施，就是不允許在沒有預防措施的條件下對減速機或與減速機連接的構件實施焊接。