減速機(jī)齒輪軸斷裂失效的成因探討

陳遙飛

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減速機(jī)齒輪軸斷裂失效的成因探討

陳遙飛

（天津津航技術(shù)物理研究所，天津 300308）

針對(duì)某型號(hào)減速機(jī)在使用初期出現(xiàn)的大批量輸入軸斷裂問題，逐一探討了材料力學(xué)與理化性質(zhì)、斷裂軸金相組織、裝配工藝、熱處理工藝等對(duì)其斷裂失效的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝流程產(chǎn)生的硬度梯度過大是齒輪軸斷裂失效的原因.

齒輪軸斷裂失效；熱處理；硬度梯度

某公司生產(chǎn)棕櫚油用減速機(jī)在設(shè)備投入使用較短的時(shí)間內(nèi)甚至在交付試車階段即相繼出現(xiàn)了大量輸入軸斷裂失效的情況. 該齒輪箱服役時(shí)間短，出現(xiàn)斷裂屬非正常失效. 為了避免此類事故再次發(fā)生，有必要對(duì)其斷裂成因進(jìn)行分析.

1 減速機(jī)齒輪軸結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

圖1 齒輪軸斷裂典型部位及其斷面形貌

失效齒輪軸的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該軸需做滲碳淬火處理，但在齒輪軸右側(cè)中段由于需銑削加工鍵槽，必須對(duì)該區(qū)段進(jìn)行涂覆以避免滲碳. 通常，涂覆區(qū)取A—A截面以右區(qū)段.

圖2 失效軸的結(jié)構(gòu)圖

2 齒輪軸斷裂成因探討

2.1 軸的力學(xué)強(qiáng)度校核

軸的材料為18CrNiMo7-6，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該齒輪軸的強(qiáng)度應(yīng)該能夠滿足強(qiáng)度要求，為了進(jìn)一步確認(rèn)，針對(duì)該齒輪軸的具體工作狀態(tài)，本文模擬了在電機(jī)堵轉(zhuǎn)的極限惡劣狀況下（即電機(jī)扭矩為正常扭矩的1.8倍）齒輪軸的受力情況. 由圖3可見，齒輪軸的最大應(yīng)力位于軸承安裝的軸肩部位，最大值為；靠近鍵槽位置的等效應(yīng)力值為. 由于存在較大的皮帶輪徑向拉力，齒輪軸變形位移較大，通過圖4可見，位移最大值在齒輪軸的末端，為. 對(duì)比該齒輪軸的材料性能，其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，可見該齒輪軸的力學(xué)強(qiáng)度并未超過材料的極限性能.

圖3 齒輪軸等效應(yīng)力云圖

圖4 齒輪軸變形位移云圖

2.2 軸的理化檢驗(yàn)與分析

2.2.1 化學(xué)成分分析

如圖1所示，齒輪軸斷面位于鍵槽的末端，斷口未見放射狀條紋和貝紋線[2]；斷口平整且具有脆性特征，屬于典型的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力所致斷口，初步判定屬于疲勞失效；本文對(duì)該失效軸進(jìn)行了理化分析，由表1可以看出，軸材料的化學(xué)成分達(dá)標(biāo)，都在規(guī)定的范圍之內(nèi). 由此，排除了材料化學(xué)成分不合格對(duì)軸失效的影響.

表1 齒輪軸材料的化學(xué)成分及含量

2.2.2 金相組織分析

該齒輪軸用鋼屬于低碳低合金滲碳高強(qiáng)度鋼，常用于設(shè)備關(guān)鍵部位. 由于經(jīng)過滲碳、淬火及低溫回火等處理[3-4]，并添加了多種合金材料，軸表面耐磨、硬度高，心部韌性好、抗沖擊且有較高延伸率，因此能夠勝任在高速、重載并有沖擊載荷的環(huán)境下工作，是一種性能優(yōu)異的重載齒輪高強(qiáng)鋼. 齒輪軸的熱處理金相組織對(duì)軸的整體強(qiáng)度的影響非常關(guān)鍵，本文對(duì)齒輪軸的熱處理工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的排查與分析，如圖5所示，該軸的組織較為均勻，經(jīng)過淬火處理后，基本組織為回火馬氏體. 可見，熱處理工藝符合技術(shù)要求，熱處理質(zhì)量合格.

圖5 斷裂軸斷面顯微組織

2.3 裝配以及熱處理工藝過程的影響

在發(fā)生軸的斷裂事故后，采用激光定位的裝配工藝對(duì)減速箱進(jìn)行了軸的更換，但后續(xù)仍然發(fā)現(xiàn)軸的該類失效，因此排除了裝配工藝誤差對(duì)軸斷裂失效的影響.

該軸的失效位置靠近鍵槽，而該部位并非軸的最薄弱位置. 圖3顯示，應(yīng)力最大值在軸承安裝的軸肩位置，即圖2所示軸臺(tái)與的接合部位. 再次檢查軸的加工工藝發(fā)現(xiàn)，軸的加工工序?yàn)橄仍谳S的鍵槽加工端段涂覆涂料以規(guī)避碳滲，熱處理后再對(duì)端部進(jìn)行銑鍵槽處理，以此防止軸整體滲碳后端部硬度過高而無法銑鍵槽的問題.

本研究測試了該型號(hào)齒輪軸熱處理后的表面硬度，測得斷面A-A兩側(cè)各處平均表面硬度如圖6所示；測得A-A截面兩側(cè)處截面沿圓周方向不同半徑處的平均硬度如圖7所示.

圖6 A-A截面兩側(cè)軸向表面硬度分布圖

圖7 A-A截面徑向表面硬度分布圖

由于滲碳淬火的表面硬度要求為HRC58～63，而端部涂覆保護(hù)的部位由于沒有滲碳，其表面硬度小于HRC45，這樣在軸的接合部位軸向方向上產(chǎn)生了較大的硬度梯度，相應(yīng)的在接合的交界面處也產(chǎn)生了較大的徑向硬度梯度，這種較大的硬度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致軸的局部應(yīng)力集中，在受到較大的徑向力以及產(chǎn)生較大的形變時(shí)，軸便會(huì)首先在該位置出現(xiàn)失效，從而導(dǎo)致軸的斷裂.

3 結(jié)論

齒輪軸的斷裂失效是較大的交變徑向力引起的疲勞失效. 熱處理工藝導(dǎo)致了軸向硬度梯度的存在，在齒輪軸內(nèi)產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，在交變載荷的進(jìn)一步作用下演變成應(yīng)力腐蝕，成為導(dǎo)致軸失效的關(guān)鍵因素. 對(duì)于同時(shí)存在徑向力和扭轉(zhuǎn)力的復(fù)雜受力情況的軸類零件，應(yīng)該充分考慮硬度梯度對(duì)其失效的影響.

[1] 孫志禮. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 沈陽：東北大學(xué)出版社，2000: 112-114.

[2] 賈沛泰，海一峰，宋菘. 國內(nèi)外常用金屬材料手冊[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004: 47-48.

[3] 史美堂. 金屬材料及熱處理[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986: 291-295.

[4] 張力，王金星，梁紅，等. 齒輪軸失效分析[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2007, 21(5): 490-491.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

On the Cause of the Gear Shaft Fracture Failure in Reducers

CHENYao-fei

(Tianjin Institute of Technology and Physics, Tianjin 300308, China)

In light of the shaft fracture of large numbers of input shafts in a certain type of reducer in the early stage of use, this paper explored the effect of the material mechanics and physical and chemical properties, microstructure, assembly process and heat treatment process on the fracture and found out that the too great hardness gradient resulting from the heat treatment process was the cause of the failure of the gear shaft.

gear shaft fracture failure; heat treatment; hardness gradient

1006-7302（2015）04-0067-04

TG162.71；TG166

A

2015-04-14

陳遙飛（1981—），男，山東萊陽人，工程師，碩士，主要從事齒輪動(dòng)力傳動(dòng)及其CAE方面的研究.