某城際列車齒輪箱開裂的原因

趙麗娟

(常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

0 引 言

城際列車傳動齒輪箱主要用于實現(xiàn)電機(jī)的動力傳輸，驅(qū)動車輛前進(jìn)[1]。作為保證列車持續(xù)穩(wěn)定運營的關(guān)鍵零部件和牽引系統(tǒng)的重要設(shè)備，齒輪箱驅(qū)動裝置的安全性、穩(wěn)定性和可靠性直接影響著列車的正常運行[2]。然而，傳動齒輪箱一直以來存在的開裂與滲油問題尚未完全解決，這不僅會影響交通運輸環(huán)境，浪費大量人力物力，還會造成齒輪的報廢。

某城際列車齒輪箱在檢修時發(fā)現(xiàn)，合箱面轉(zhuǎn)角外側(cè)出現(xiàn)少量滲油現(xiàn)象，擦試油污后，上下箱體上存在目視可見的貫穿裂紋。該齒輪箱材料為AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金，制造工藝為鑄造→熱處理→切削加工→成品組裝。齒輪箱運行約3 a，里程約3×105km。為查明該齒輪箱的開裂原因，作者對其進(jìn)行了理化檢驗和分析，并提出了改進(jìn)措施。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1(a)可見，裂紋位于齒輪箱上下箱體合箱面轉(zhuǎn)角位置，貫穿箱壁，長約200 mm。將裂紋人工打開，由圖1(b)可以看出，斷面上無明顯的鑄造缺陷，裂紋起源于箭頭所指位置，并不斷向基體擴(kuò)展。

圖1 開裂齒輪箱及人工打開裂紋后的斷口宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of cracked gearbox (a) and crack fracture (b) after manual opening

1.2 化學(xué)成分

在齒輪箱裂紋附近取樣，依據(jù)GB/T 20975.25—2008,采用iCAP6300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可以看出，該齒輪箱各元素含量符合DIN EN 1706—2013標(biāo)準(zhǔn)對EN AC-AlSi7Mg0.3合金的要求，箱體成分合格。

表1 齒輪箱的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of gearbox (mass) %

1.3 顯微組織

在齒輪箱裂紋源處和未開裂部位分別截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫氟酸水溶液進(jìn)行腐蝕，采用Olympus GX71型倒置光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可見，未開裂區(qū)的組織由α-Al基體和點狀共晶硅組成，晶粒較細(xì)??；而裂紋源區(qū)的顯微組織由α-Al基體和長條狀共晶硅組成，共晶硅呈網(wǎng)狀分布且網(wǎng)格間距較大。有研究表明，當(dāng)鑄造鋁合金內(nèi)部缺陷較少時，其裂紋萌生于硅顆粒/基體界面和尺寸較大硅顆粒的開裂處，并沿晶界擴(kuò)展[3-4]。因此，粗大的共晶硅相成為齒輪箱裂紋萌生的誘因。

圖2 齒輪箱顯微組織Fig.2 Microstructures of gearbox: (a) uncracked area and (b) crack source area

與齒輪箱生產(chǎn)廠家溝通得知，裂紋源上部的合箱面位置為鑄造冒口部位。在鑄造凝固時，由于冒口長時間過熱，該處晶粒較為粗大，并且共晶硅在晶間團(tuán)聚長大呈條狀，組織出現(xiàn)變質(zhì)衰退現(xiàn)象[5-6]，冒口位置的力學(xué)性能偏低。

1.4 微觀形貌和微區(qū)成分

將人工打開后的裂紋斷口進(jìn)行超聲清洗，然后采用FEI-Sirion 200型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌。由圖3可見，裂紋表面存在腐蝕產(chǎn)物覆蓋層，對位置1處進(jìn)行能譜(EDS)分析，發(fā)現(xiàn)其中含有氧、硫、氯強(qiáng)腐蝕性元素(圖4)。裂紋源附近則存在大量與主裂紋近乎平行的細(xì)小裂紋，裂紋尾部沿晶界擴(kuò)展。

圖3 裂紋表面的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of crack surface: (a) corrosion products and (b) enlargement near crack source

圖4 腐蝕產(chǎn)物(圖3中位置1)的EDS譜Fig.4 EDS spectrum of corrosion products (position 1 in Fig.3)

1.5 力學(xué)性能

在齒輪箱裂紋源附近及未開裂區(qū)分別截取尺寸為φ14 mm×90 mm的試樣，按照GB/T 228.1—2010加工成拉伸試樣，采用Instron 5982型材料試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗，結(jié)果如表2所示?？梢婟X輪箱裂紋源附近的各項力學(xué)性能均低于未開裂區(qū)的；但根據(jù)GB/T 9438—2013相關(guān)規(guī)定，本體試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不低于標(biāo)準(zhǔn)值的70%，斷后伸長率不低于標(biāo)準(zhǔn)值的50%即可，可見齒輪箱裂紋源附近的力學(xué)性能仍是合格的。

表2 齒輪箱不同區(qū)域的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of different areas of gearbox

2 開裂原因分析

該齒輪箱的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但裂紋源處顯微組織出現(xiàn)明顯變質(zhì)衰退現(xiàn)象。通過有限元計算模擬該齒輪箱服役工況，由圖5可以看出開裂處承受的應(yīng)力僅為3.06 MPa左右，此應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于齒輪箱裂紋源附近的屈服強(qiáng)度(214 MPa)，不會導(dǎo)致其過載開裂。而由上述理化檢驗結(jié)果可知，齒輪箱裂紋表面存在腐蝕產(chǎn)物，并且裂紋源附近存在大量沿晶擴(kuò)展的細(xì)小裂紋，這符合應(yīng)力腐蝕開裂特征。

圖5 齒輪箱應(yīng)力分布有限元計算云圖Fig.5 Finite element calculation nephogram of gearbox stress distribution

金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需具備3個條件[7]：拉伸應(yīng)力、特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境以及材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性。設(shè)備組裝時，齒輪箱剛性懸掛于電機(jī)與空心軸套上，處于一種非自由組裝狀態(tài)，其合箱面轉(zhuǎn)角位置受拉或受壓而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[8]，具備了應(yīng)力腐蝕的第一個條件。對齒輪箱的工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該城際列車長期在我國沿海地區(qū)運營，基本環(huán)境特征為年平均相對濕度高、空氣中氯離子較多、大氣腐蝕性較強(qiáng)[9]；同時，齒輪箱組裝時需要在上下箱體結(jié)合面涂膠，結(jié)合面之間存在一定間隙，使得外界空氣與裸露合金直接接觸，這為齒輪箱的應(yīng)力腐蝕開裂提供了腐蝕介質(zhì)環(huán)境，從而具備了應(yīng)力腐蝕的第二個條件。在含有較低濃度氯離子的溶液中，鋁合金表現(xiàn)出明顯的晶間腐蝕敏感性和應(yīng)力腐蝕敏感性，短時間內(nèi)主要表現(xiàn)為點蝕和晶間腐蝕[10]，隨著時間的延長和加載應(yīng)力的增大則開始出現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕開裂。綜上，失效齒輪箱具備了應(yīng)力腐蝕開裂的3個條件，在服役中發(fā)生開裂。另外，齒輪箱合箱面為鑄造冒口位置，組織出現(xiàn)變質(zhì)衰退，力學(xué)性能降低，這進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的萌生及擴(kuò)展。

3 結(jié)論及建議

(1) 該齒輪箱失效形式為應(yīng)力腐蝕開裂。組裝時齒輪箱剛性懸掛，導(dǎo)致合箱面轉(zhuǎn)角位置產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，成為裂紋源；齒輪箱服役環(huán)境潮濕且含有氯離子，合箱面為鑄造冒口位置，組織出現(xiàn)變質(zhì)衰退，這進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的萌生及擴(kuò)展。

(2) 建議優(yōu)化齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過加大圓角過渡、設(shè)置防裂筋等措施來降低應(yīng)力；改進(jìn)鑄造工藝，采用冷鐵激冷細(xì)化關(guān)鍵部位的晶粒，提升齒輪箱材料的安全系數(shù)；優(yōu)化齒輪箱組裝涂膠工藝，減小合箱面間隙，以降低腐蝕性氣體對齒輪箱的影響。