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分享：風(fēng)電齒輪箱齒輪軸斷齒原因

2024-05-19 01:00:15

摘要:某型號(hào)風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,其齒輪箱中的齒輪軸發(fā)生斷齒。采用宏觀觀察、斷口分析、能譜分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)其斷齒原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:齒輪軸齒部斷裂特征為疲勞斷裂,裂紋源處存在大尺寸 B類氧化鋁夾雜物,引起該處明顯的應(yīng)力集中,導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生斷齒。最后提出了整改措施,經(jīng)過(guò)整改后,該風(fēng)機(jī)齒輪軸未出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電齒輪箱;齒輪軸;斷齒;疲勞斷裂;大尺寸夾雜物

中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)10-0075-04

齒輪軸是風(fēng)電齒輪箱的核心部件,一端用來(lái)嚙合齒輪,另一端用來(lái)過(guò)盈裝配大齒輪,其承受的彎曲應(yīng)力較大,在使用過(guò)程中容易發(fā)生斷齒。齒輪軸的材料為 18CrNiMo7-6 鋼,其一般的生產(chǎn) 工藝流程為:煉鋼→鍛造→鍛后正回火→粗加工→滲碳淬火 →精加工。某風(fēng)電齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)了約10個(gè)月后,其齒輪軸發(fā)生斷齒,齒輪軸結(jié)構(gòu)示意及斷齒的齒輪軸宏觀形貌如圖1所示。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該齒輪軸的斷齒原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

用線切割的方式對(duì)齒輪軸斷齒部分進(jìn)行切割取樣 ,斷齒的宏觀形貌如圖2所示。整個(gè)齒輪軸只有一顆齒發(fā)生了斷裂,斷口宏觀形貌完整,無(wú)磨損、銹蝕情況,其余輪齒較完整。從未斷裂齒面情況來(lái)看, 齒面嚙合痕跡比較清晰,軸向和徑向嚙合面積大于 95%,不存在偏載情況,初步排除由于齒輪裝配或齒輪傳動(dòng)異常導(dǎo)致斷齒的可能。

齒輪軸斷口處的宏觀形貌如圖3所示,圖3中存在明顯的疲勞弧線[1],根據(jù)裂紋源的擴(kuò)展方向可以判斷裂紋源的位置,裂紋源位于次表面,斷口屬于單一裂紋源疲勞斷裂。

1.2 化學(xué)成分分析

從斷齒上取樣,按照 GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā) 射光譜法(常規(guī)法)》,用直讀光譜儀分析斷齒心部的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示,結(jié)果符合 EN10084— 2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》對(duì)18CrNiMo7-6鋼的要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

采用SEM 對(duì)裂紋源進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示,由圖4可知:裂紋源處存在與周圍基體明顯不同的物質(zhì),長(zhǎng)度約2~3mm,疑似為夾雜缺陷,裂紋從裂紋源處向四周擴(kuò)散,存在明顯的疲勞弧線和輝紋, 裂紋源附近區(qū)域呈準(zhǔn)解理微觀形貌。

1.4 能譜分析

采用能譜分析儀對(duì)裂紋源處的疑似夾雜物進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示,由圖5可知:裂紋源處 Al,O 元素含量異常,遠(yuǎn) 高于標(biāo) 準(zhǔn) EN 10084—2008 對(duì) 18CrNiMo7-6鋼的要求,分析可知該夾雜物屬于 B 類氧化鋁夾雜物。

1.5 齒面磨削燒傷檢測(cè)

切取斷齒和非斷齒的齒面,按標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》進(jìn) 行磨削燒傷檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,說(shuō)明不存在生產(chǎn)制造或使用維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致高溫?fù)p毀的情況[2]。斷齒和非斷齒齒面浸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。

1.6 硬度測(cè)試

在斷齒的表面和心部取樣,按標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分: 試驗(yàn)方法》進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示,表面硬度的平均值為 60.3 HRC,心部硬度的平均值為 33.7HRC,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

1.7 齒面滲碳層深度和硬度梯度分析

從斷齒上取樣,按照 GB/T9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》測(cè)試其硬度梯度,結(jié)果如表3所示,齒面硬度梯度曲線如圖7所示,滲碳層深度為2.0mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

1.8 金相檢驗(yàn)

從斷齒上取樣,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,按照J(rèn)B/T6141.3—1992 《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》,用光學(xué)顯微鏡評(píng)定斷齒表面和心部的顯微組織,結(jié)果如圖8所示,由圖8可知:斷齒表面組織為細(xì)針狀馬氏體、殘余奧氏體和碳化物(2級(jí)); 心部組織為板條馬氏體及少量鐵素體[3],符合ISO6336-5:2003《正齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算第 5部分材料的強(qiáng)度和質(zhì)量》的 MQ 級(jí) 要求。按照 GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》,用光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)心部的晶粒度,結(jié)果為7.5級(jí),符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥6級(jí))。

2 綜合分析

為了找到斷齒的原因,需要從齒輪箱設(shè)計(jì)、生產(chǎn) 制造和使用維護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行分析。該風(fēng)機(jī)齒輪箱沒(méi)有發(fā)生大批量斷齒的情況,故可以排除設(shè)計(jì)原因。

該齒輪箱僅運(yùn)轉(zhuǎn)了10個(gè)月左右就發(fā)生了斷齒, 使用時(shí)間較短,且風(fēng)場(chǎng)對(duì)振動(dòng)、油溫、油壓等關(guān)鍵參數(shù)都有大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控,斷齒的齒輪箱各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 與風(fēng)場(chǎng)其他齒輪箱并無(wú)明顯差異,故可以排除使用維護(hù)的原因。

由斷齒齒輪的宏觀形貌可知:齒面嚙合面積大于95%,說(shuō)明不存在偏載情況,可以初步排除由于齒輪裝配或齒輪傳動(dòng)異常導(dǎo)致斷齒的可能。

由齒面磨削燒傷分析結(jié)果可知:斷齒和非斷齒的齒面均未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡,可以排除由于生產(chǎn) 制造或使用維護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生磨削燒傷導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕剝落,進(jìn)而導(dǎo)致斷齒的可能。

由化學(xué)成分、硬度測(cè)試和金相檢驗(yàn)結(jié)果可知:齒輪軸斷齒的化學(xué)成分、晶粒度、齒面硬度、滲碳層深度、硬度梯度等結(jié)果均符合設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。

從斷口的 SEM 分析可知:裂紋源處存在疑似夾雜物,結(jié)合能譜分析得到裂紋源處 Al,O 元素含量異常,判斷為 B類氧化鋁夾雜物。氧化鋁夾雜物硬度高、受力時(shí)不易變形,大尺寸氧化鋁夾雜物的存在會(huì)割裂基體的連續(xù)性,降低材料的疲勞強(qiáng)度。當(dāng) 夾雜物處在承受應(yīng)力較大位置時(shí),夾雜物周圍易產(chǎn) 生應(yīng)力集中,從而萌生疲勞裂紋,隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展,最終發(fā)生疲勞斷裂[4]。

3 整改措施

(1)煉鋼熔化期:烘干電爐爐襯,控制爐料的純凈度、高氧化性、好的流動(dòng)性,適量的熔渣,中等偏低溫度[5]。

(2)煉鋼氧化期:增大沸騰程度、延長(zhǎng)沸騰時(shí) 間、徹底扒渣、控高溫、薄渣、加大供氧量和氬氣量。

(3)煉鋼還原期:烘干鋼包爐襯、控制加入合金的純凈度、降低 O 元素和 S元素的含量、控制氬氣攪拌。

(4)煉鋼真空脫氣:采用氬氣攪拌、延長(zhǎng)脫氣時(shí) 間。

(5)澆注:采用氬氣保護(hù),防止二次氧化,吹掃干凈出鋼槽。

(6)鍛造:充分鍛打,采用合適的利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

該風(fēng)機(jī)齒輪軸斷齒屬于單源疲勞斷裂,裂紋源處存在大尺寸的 B類氧化鋁夾雜物,冶煉缺陷是齒輪軸發(fā)生斷齒的主要原因。經(jīng)整改后,筆者單位生產(chǎn)了近百件產(chǎn)品,都未發(fā)生開(kāi)裂。

參考文獻(xiàn):

[1] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2] 吳建華,李平平,梁雪冬,等.地鐵列車從動(dòng)齒輪表面裂紋產(chǎn) 生原因 [J].理化檢驗(yàn) (物理分冊(cè)),2022,58 (6):63-65.