減速機齒輪失效原因分析

減速機是機械設(shè)備中重要的傳動系統(tǒng)，其運行狀態(tài)的穩(wěn)定性對于設(shè)備系統(tǒng)的整體性能具有重要影響。齒輪作為減速機的關(guān)鍵零部件，在傳遞動力及改變速度的運動過程中，嚙合齒面既有滾動，又有滑動，并且齒輪根部還受到交變彎曲應(yīng)力的作用。在上述不同應(yīng)力作用下，受惡劣工況因素影響，齒根和齒面易發(fā)生失效，甚至造成設(shè)備停機，影響生產(chǎn)效率。齒輪的失效形式多樣，常見的形式為齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合與劃痕、齒根疲勞裂紋和斷齒。

齒輪材料一般選用合金滲碳鋼，如20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、35CrMo、40Cr 等，齒輪毛坯一般經(jīng)過下料→加熱→鍛造→預(yù)先熱處理→粗車端面和外圓→銑齒和鍵槽→最終熱處理等多道冷熱加工工序，以獲得較高的表面硬度和良好的心部韌性，使齒輪具有高耐磨，耐疲勞等綜合性能。預(yù)先熱處理通常采用正火以細化晶粒，降低硬度以獲得良好的切削加工性能，為后序最終熱處理做好金相組織準(zhǔn)備。最終熱處理主要采用滲碳、滲氮、氮碳共滲及感應(yīng)淬火，以獲得高硬度和耐磨性，提高其疲勞強度和使用壽命。

ECMO轉(zhuǎn)機期間，為觀察患者氧供與氧耗是否平衡，預(yù)防呼吸系統(tǒng)受累，需密切動態(tài)監(jiān)測動靜脈血的氧分壓、二氧化碳分壓[7]。

本文介紹的減速機齒輪采用該滲碳工藝進行強化處理，該齒輪在使用過程中多次出現(xiàn)失效斷齒問題，已嚴重影響產(chǎn)線的順利生產(chǎn)，為解決這一問題，有必要對該齒輪失效原因進行全面分析。

齒輪材料為40Cr，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，預(yù)先熱處理方式為正火處理，硬度要求156 ～207HB。最終熱處理工藝為滲碳淬火，有效滲層深度大于等于0.35mm，表面硬度要在58 ～62 HRC 之間。

斷口分析

斷口宏觀及微觀分析

在齒輪上取樣，因表面滲碳，從樣塊心部采點，用直讀光譜儀分兩次進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。材料符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外10例患者均接受MRI掃描診斷，使用超導(dǎo)型MR掃描診斷儀，頸部線圈總共有8道，釓雙胺作為MRI掃描對比劑，0.1mmol/kg的釓雙胺總藥物劑量為2.0ml/s，從患者的肘正中靜脈處注入。

2

試樣表面金相組織為針狀馬氏體組織(圖12)，按GB/T 25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)評定5 級，合格。心部組織為回火索氏體(圖13)，晶粒度8 級。

微觀分析

化學(xué)成分檢測

減速機齒輪是減速箱中間齒輪軸的輸出端齒輪，齒輪齒數(shù)45 個，5 個斷齒，1 個出現(xiàn)磨損和剝落，如圖2 所示。從斷口的宏觀形貌來看，齒輪斷裂處位于齒部齒根處，為發(fā)生斷裂的裂紋源；整個斷口分為3 個區(qū)域，裂紋萌生區(qū)和擴展區(qū)域面積較小，斷口無宏觀塑性變形，無疲勞特征：最終瞬斷區(qū)約占斷口80%，說明發(fā)生斷裂時承受應(yīng)力或外力過大，此區(qū)域表面較粗糙，呈灰色，斷口呈現(xiàn)放射性條紋，屬于脆性斷裂。齒輪內(nèi)圈與傳動軸間接觸面有明顯磨損情況，表面呈黑色條帶狀，長度約占內(nèi)圈周長的1/4(圖3)。

低倍組織檢測

在接近齒輪斷裂處取

110mm×15mm 的低倍試樣，用50%的鹽酸熱浸蝕后檢驗材料的低倍組織，目視未見縮孔、氣泡、夾雜、裂紋、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷，酸浸低倍組織級別檢測結(jié)果見表2，結(jié)果顯示齒輪材料符合要求。

非金屬夾雜物

按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》的ISO 評級圖評定樣塊非金屬夾雜物，檢測情況見表3，符合材料采購標(biāo)準(zhǔn)。

將1

、2

試樣置于蔡司Axio Lab A1 金相顯微鏡進行觀察，表面金相組織為針狀馬氏體組織(圖10)，按GB/T 25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)評定4 級，合格。齒輪心部組織為回火索氏體(圖11)，因其回火溫度低仍保留馬氏體位向結(jié)構(gòu)，晶粒度7 級，符合要求。

金相組織

在金相觀察過程中，發(fā)現(xiàn)2

試樣表面有明顯表面硬化和次層回火現(xiàn)象(圖14)，表面硬化層為針狀馬氏體組織，次層回火層為回火索氏體+貝氏體組織，基體為馬氏體組織。

（3）如果容量為1MW及其以上的發(fā)電機定子繞組和引出線出現(xiàn)短路，需要裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。其保護配置作為發(fā)電機內(nèi)部短路的主要保護，能及時、靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障，確保動作的選擇性與工作的安全性。

從斷口處進行取樣，用蔡司EVO 18 型掃描電子顯微鏡進行微觀分析，齒輪斷口開裂源位置為沿晶+少量韌窩特征(圖4)，裂紋擴展區(qū)域為準(zhǔn)解理特征(圖5)，最終瞬斷區(qū)為沿晶+少量韌窩特征(圖6)。

從化學(xué)成分、低倍組織、非金屬夾雜物分析，原材料符合齒輪材料要求。

在垂直于齒輪齒面和齒輪內(nèi)孔磨削處進行取樣分析，取樣位置如圖7 所示，樣塊標(biāo)示1

試樣、2

試樣。試樣經(jīng)加工后，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳層輪廓如圖8、圖9 所示，通過觀察分析，齒輪齒部與內(nèi)孔處滲碳層輪廓連續(xù)且均勻，采用金相法對滲碳層深進行檢測，齒部層深為1.5mm、內(nèi)孔層深為1.2mm，符合滲碳層大于等于0.35mm要求。

硬度檢測

對齒輪齒部硬度用顯微維氏硬度計進行檢測(圖16)，硬度值為59 ～59.2HRC，符合圖紙要求的58 ～62HRC。心部硬度為34 ～34.5HRC，經(jīng)滲碳淬火后心部形成低碳馬氏體后通過低溫回火獲得。滲碳淬火使表面獲得高硬度，而心部獲得低硬度，有效提高表面耐磨性，而心部得到良好的韌性。該硬度區(qū)別于預(yù)先熱處理正火所獲得的正火硬度156 ～207HB。

分析與討論

從斷口宏觀分析，整個斷口裂紋萌生區(qū)和擴展區(qū)域面積較小，斷口無宏觀塑性變形，無疲勞特征，最終瞬斷區(qū)約占斷口80%，說明斷裂時承受應(yīng)力或外力過大，此區(qū)域表面較粗糙，呈灰色，斷口形態(tài)呈放射狀，屬于脆性斷裂。用掃描電子顯微鏡進行微觀分析，符合過載導(dǎo)致的脆性斷裂特征。

對各敏感性指標(biāo)(d’)做KMO檢驗和Barlett球形檢驗，GNAT的結(jié)果顯示KMO=0.618，Barlett球形檢驗的統(tǒng)計量χ2=59.43，P<0.001；GNAT-1的KMO=0.569，χ2=34.45；GNAT-2的KMO=0.543，χ2=47.99；GNAT-3的KMO=0.642，χ2=51.57；GNAT-4的KMO=0.541，上述GNAT 1-4中都有KMO>0.5,P<0.001.表明GNAT、GNAT-1、GNAT-2、GNAT-3、GNAT-4適合進行因子分析，具體結(jié)果見表3.

基線CD4+T細胞值與艾滋病抗病毒治療后的死亡病例分析……閔夢雅，張建波，黎 勇，周旭英，羅 慧，申元英（73）

金相分析和硬度檢測顯示，零件滲碳淬火表面金相組織、心部組織，表面硬度均符合要求；淬硬層區(qū)域經(jīng)腐蝕后顯示各部位淬硬層深滿足要求，并且淬硬層連續(xù)，齒根處無斷續(xù)問題，說明滲碳淬火工藝良好，滿足其技術(shù)要求。

在他將近半百的時候，才成為島長。當(dāng)時他說：讓我去陸地上面看看吧，我看看我們能和他們交換一些什么。但是很快島長就失魂落魄地回來了。島長說：陸地上太可怕，我們這里至少還有魚。過了幾年后，島長覺得還是應(yīng)該和外面的世界進行一些援助交際，他再次動身。但是很快島長就失魂落魄地回來了。島長說：陸地上太可怕，我們這里至少還有人。

從金相分析中顯示內(nèi)孔表面出現(xiàn)明顯表面硬化和次層回火現(xiàn)象，說明該齒輪在與傳動軸連接時因裝配不當(dāng)存在相對移動，導(dǎo)致齒輪在運行過程中因摩擦過熱，使表面出現(xiàn)表面硬化和二次回火現(xiàn)象。

結(jié)束語

結(jié)合以上斷口分析及微觀分析結(jié)果可知，導(dǎo)致減速機齒輪斷裂的原因為齒輪在裝配過程中，齒輪與傳動軸裝配不當(dāng)，出現(xiàn)相對移動，使齒輪在承受載荷時不能平穩(wěn)的傳遞扭矩，導(dǎo)致該齒輪在出現(xiàn)過載時，超出材料所承受的疲勞極限而出現(xiàn)斷裂。

鑒于以上原因，齒輪在與傳動軸裝配過程中，要嚴格檢測齒輪的轉(zhuǎn)動情況，如有異常及時排除。同時在選擇齒輪時，要充分考慮其承載力極限與減速機功率相匹配，保證在合理的載荷下運行。