减速机锥齿轮轴开裂失效分析

减速机锥齿轮轴开裂失效分析

万礼明

住友重机械（唐山）有限公司，河北 唐山 063021

摘要：齿轮轴便出现打齿、断齿故障，导致整个减速机无法正常运行。齿轮轴是减速机的重要零件之一，在生产制造及使用过程中极易发生断裂、断齿等各种质量问题。因而本文主要就减速机锥齿轮轴开裂失效的原因进行了分析。 关键词：减速机；；锥齿轮轴；；开裂；；失效原因 中图分类号：TG115.2 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)26-0086-01

1 减速机锥齿轮轴开裂失效

1.1 开裂失效的问题和原因 1.1.1 疲劳裂纹

疲劳裂纹，且断齿呈小块状，侧面有片状剥落，说明属接触疲劳失效的一种情况，通常是由于齿表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种疲劳破坏现象，表现为接触表面出现许多痘状凹坑。在刚出现凹坑或凹坑较少时，一般仍可继续工作，但随着时间的延续，凹坑不断增多和扩大，齿啮合发生恶化，齿根部应力增大，产生疲劳裂纹并不断扩展直至断齿。断齿１和断齿２断面内部存在凹坑，凹坑内部有铁锈色点说明该齿加工时内部存在诸如气孔等内部缺陷，这也使工作时齿在内部缺陷处产生应力，随应力裂纹的不断扩展，最终导致断齿呈小块状。

1.1.2 原因

根据对断面形状的观察，断面基本呈一平面并与轴线垂直，部分区域存在轻微锯齿状形态，可详细分为以下区域：疲劳源大至有２～３处，全部发生在轴肩过渡处。疲劳源发展区表面光亮，呈椭圆形区域，具有放射状纹理，贝壳状前沿线。疲劳裂纹加速扩展区，呈现光亮且有一定粗糙度。瞬时断裂区在最中部，断面非常粗糙。

1.2 减速机锥齿轮轴开裂失效试验 1.2.1 从宏观断口形貌分析

从齿轮轴断齿的宏观断口形貌分析结果来看，该齿轮轴断齿起源于齿面，并未在齿根、断面上可见明显的贝壳纹，这就是说，齿轮轴断齿为典型的疲劳断裂；从齿轮轴断齿齿面的宏观外貌来看，该齿轮轴齿面存在较多的、明显具有挤压痕迹的麻坑，并且疲劳源也起源于齿面的麻坑，这就可以确定，该齿轮轴断齿为典型的接触疲劳断裂。从化学成分分析结果来看，该齿轮轴各元素含量均在技术要求范围内，化学成分合格，也就是说，属齿轮轴接触应力疲劳断裂， 与齿轮轴的化学成分无关，与材质无关。

1.2.2 力学性能及渗碳层深度测试 材料的环向抗拉强度为1100 MPa，规定非比例延伸强度为840 MPa，断后伸长率为14%，断面收缩率为60%。齿腰处测得的表面渗碳硬化层深度为1.37 mm，轮齿心部组织的平均硬度为430 HV0．5，不同测试点显微硬度值相差可达40 HV0．5，存在硬度分布不均匀问题。材料力学性能和表面渗碳层深度均符合相关的技术条件要求。

1.2.3 建立齿轮模型及有限元分析 1、建立齿轮模型

采用SolidWorks NSYS10.0对组合减速机第一级轮系的小锥齿轮和大锥齿轮进行建模分析，通过其应变、应力及变形观察载荷分布趋势，找出强度、刚度薄弱环节，检验齿轮设计及材料性能是否满足要求。

最大弯曲应力σF=343.247MPa，而且位置在大端齿根处，齿轮的弯曲许用应力[σF]≈350MPa，可以看出实际生产中产生的最大弯曲应力和弯曲许用应力非常接近，而且齿轮所承受的载荷为非稳定的脉动冲击载荷。符合疲劳损伤累计理论“当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料

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产生一定量的损伤，而该损伤是可以积累的。当损伤积累到临界值时即发生疲劳破坏”。另根据迈内尔理论可知“材料在各应力下的疲劳损伤是独立进行的，并且损伤可以线性地累加起来”。

1.2.4 端口的微观观察

经扫描电镜观察发现: 源区未见明显损伤和缺陷，微观形貌为沿晶与穿晶形貌的混合，源区侧面即R 处表面未见有明显的加工损伤痕迹，但测定其粗糙度发现基本接近技术要求的最大值。裂纹的扩展区最初形貌已经被严重的碾压痕迹覆盖，说明裂纹经过多次的循环扩展。

1.3 加强减速机锥齿轮轴开裂失效控制 1.3.1 增加回火温度和回火时间

金属中的氢一般来自3个途径: ①冶炼、焊接及热处理过程中进入的氢； ②电镀和酸洗过程中进入的氢；③使用环境下渗入的氢。锥齿轮轴未经电镀和酸洗过程，因此可以排除第二个途径。此外，伞齿轴在一般室外环境工作，不存在氢气氛，所以也可以排除第三个途径。锥齿轮轴淬火后进行了150 ℃ × 4 h 回火，而测氢结果表明材料中的氢含量仍然较高，说明150 ℃ × 4 h回火不能达到很好的除氢效果，并且150 ℃的回火温度也太低，不足以消去残余应力。因此，建议增加回火温度和回火时间，以提高除氢效果和减少残余应力。锥齿轮轴在失效停止使用后，裂纹在残余应力作用下继续扩展，说明锥齿轮轴残余应力较高。较高的残余应力也会促进氢致裂纹的萌生和扩展。

1.3.2 做好设备的检查工作

做好减速机供应商的选择，制造加工设备先进的、信誉好的供应商。如本减速机原始订货时为回转窑厂家配套，未提过技术方面及供货厂家等要求，如这些工作做细，对生产稳定运行也会提供较好的设备保证。加强设备制造过程中间检验、出厂验收，关键工序进行驻厂检验，保证进入现场设备性能合格。如本减速机制造过程中进行详细的中间检验，要求齿轮进行全部探伤，完全能够及时发现齿1、齿2内部缺陷并及时处理，可避免齿1、齿2的断裂。关键设备、关键部件认真进行设计审查，及时发现并更正设计错误。如本减速机高速齿轮轴轴颈由过渡至115mm自由过渡轴肩过渡圆角R3设计错误，如果进行详细设计审查，发现并改正过渡圆角为R10，完全能够避免事故的发生。

2 结语

锥齿轮轴开裂性质为氢致延迟脆性开裂。锥齿轮轴开裂与材料氢含量较高有关，材料硬度较高，对氢脆较敏感，在较高的氢含量下易发生氢脆开裂。轴和轴承抱死前，轴承和轴配合处的应力集中，促进了氢致裂纹的萌生。建议增加淬火后的回火时间，将4 h 改为8 h。适当增高回火温度，将150 ℃改为180 ℃。以降低氢含量和残余应力。

参考文献

[1] 侯学勤，李莹．齿轮轮齿断裂失效分析思路与预防［J］．金属热处理，2011，36( 增刊):450-452．

[2] 惠卫军，董瀚，翁宇庆．高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法［J］．理化检验-物理分册，2001，37(6):231-235．