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煤炭粉碎机齿轮箱的失效分析R.K.Pandey译者：张志显，车辆0601班200669050122摘要此调查研究煤炭粉碎机齿轮箱的过早失效。在许多完全破碎和断裂的齿牙中我们发现有很多产生自齿根圆并延伸至轮齿根部的裂纹。研究对此进行了微观结构分析，硬度测量，断口分析等等。发现齿轮的失效是由齿根圆的弯曲疲劳引起的，该区域主要由粗劣的铁碳化合物组成，直接导致硬度水平降低。可以通过改变齿根圆的结构组成使其具有硬度范围在55rc的优良的马氏体结构，以局部硬化齿根圆，提高齿轮箱的寿命。关键词：齿轮箱，齿根圆，疲劳萌生，微观机制1．介绍煤电厂里煤炭粉碎机的齿轮箱在连续工作状态下预期的持续工作寿命超过52000小时。但在刚工作15000小时的时候，就有大量的轮齿破碎和失效。在工作期间，还没有改良设计的齿轮箱投入生产。同样还有那些在规定服务期间的操作条件和参数。变速箱的失效发生在预期寿命三分之一以下是相当令人惊讶的，这也需要详细的分析。2．齿轮箱详情齿轮和轮齿的尺寸详见表-1。变速器的额定功率是332HP，额定输出转速40rpm。齿轮材料详见表-2。齿轮是由EN-24锻造钢制得，并且是单件锻造制得。所有齿轮在850°C获得奥氏体组织，随后经过冷油淬火处理，并在620°C下回火。齿牙也被感应感化，并且平均硬度得益于齿轮的锻造条件和硬化条件，布氏硬度和洛氏硬度分别达到265BHN和61RC。齿轮箱所用的润滑剂ServoMeshSP-220在离心力的作用下对齿轮进行润滑，每个月对其更换回收。然而润滑油每年更换一次。最高冷却温度为70°C。表-1齿轮尺寸（采用螺旋伞齿轮）外径1270mm内径405mm齿厚275mm当量齿数116齿顶高（h）25mm最大齿厚（t2）23mm最小齿厚（t1）7mm节距35mm表-2齿轮组织及热处理（wt%）组织wt%C0.41Mn0.57P0.008S0.003Ni1.53Cr1.28Mo0.32热处理冷油淬火850°C下保持5小时回火温度候620°C性能锻造硬度260-269HBN调质处理后齿牙的预期硬度55-67RC3.失效分析3.1失效地点齿轮箱的失效是在齿轮传动完全被妨碍，在打开齿轮箱之后发现的。失效出现在齿轮输出端。在所有齿中，有16个已破碎，除此之外，还有9个在破坏后分离并且破裂但是仍在齿轮箱里。坏掉的轮齿以2-5个为一系列，孤立地分布在圆周上。被发现的裂纹发源于齿根圆中部并延伸至齿根区，传播方式如图-1（a）所示。在相邻的齿根圆发现了相同的裂纹，并且与前一裂缝相连（见图-1）。在某些情况下，裂纹也会产生自齿根拐角处（而并非齿根圆中部）并且按上述方式传播。像这样产生自相邻齿根圆的裂纹彼此相交并且沿轮齿延伸45-140mm不等。在扩展的第一阶段，裂纹移动至齿根区端面并沿齿长的方向延伸至整个齿厚。上述的裂纹扩展方式导致齿牙的一部分脱离齿轮并留下清晰的缺口(图1(b))。脱离齿牙的碎片厚度沿齿长不同，从齿根区域的25mm变化到另一端的0.5-1mm。啮合的小齿轮没有发现损害，也不存在可辨识的磨损痕迹。图1(a).典型的裂纹起源于齿根圆图1(b).裂纹引起的轮齿脱落3.2．失效的整体特征齿轮破碎的表面一般显示太多变形或扭曲。除了一些零星情况,塑性变形不引起断裂。从齿轮不同位置脱离的断牙在几何尺寸和外形上有着惊人的相似之处。在某些情况下，破坏的齿牙还将以同样的方式引起几块分裂。然而一个共同的特点是断裂中不存在塑形变形。断口表面是极其平整的，整个区域没有太大的粗糙度。不过,破碎表面的颜色从表面附近沿齿厚方向由白到灰渐渐变为黑色。4.齿轮的材料特性为了探讨出合乎上述分析的材料结构和性能,我们选取了一个约3毫米厚从齿牙上脱离的碎片作为样本。在进行硝化和光蚀处理之后，我们对表面进行了显微成像。4.1硬度分布破碎齿牙的横截面的示意图为图2。在表面可以看到感应硬区明显的外观和图中标志为(1)和(2)。裂纹在齿根圆处的起始点在图中按左右分别标为A和B。裂纹扩展路径附近的区域按左右分别标记为（3）和（4）。硬度测量是在(1)-(4)区域内进行的。此外也对表面上标记为（5）的剩余区域进行硬度测量。区域（5）同样包含具有不同色彩的区域，例如，蓝紫色的区域和桔黄色区域。硬度值通过对维氏硬度试验机加载50g和100g测得。为了一致，把VPN硬度值转化为洛氏硬度，并列在表-3中。色块的存在并不影响区域（5）的硬度值。事实上，这些色块，在擦亮样本后将会消失，表明其着色是在感应硬化中由加热引起的。区域(3)-(5)基本拥有一个范围的硬度水平，区域(1)和(2)却拥有另一个范围的相同硬度水平。4.2微观结构测试微观测试使用了Neophot-30金像显微镜，并采用了适当的放大率。从显微组织中可以看出区域（1）和（2）中良好的板条马氏体和针状结构。另一方面,区域(5)的组织由铁素体和硬质合金构成。齿根圆处裂纹的发生区域的组织基本由不均匀的铁素体构成。图2(a)断齿的横截面图2(b).断齿横截面上裂纹路径的示意图表-3失效轮齿的微观硬度值区域硬度（洛氏）152-58255-59332-38434-37534-375.断口测试5.1宏观研究从齿轮上脱离的碎片的典型特点是有三个断面，这主要由是多种裂纹交集引起的，如下所述：1.从左边齿根圆起源的裂纹（如图-2a）沿ab传播。2.从右边齿根圆起源的裂纹（如图-2b）沿cd传播。3.裂纹ab和cd沿ef相交，形成第三个断面。上面的裂缝传播方式最终导致部分齿牙脱落，在某些情况下甚至脱落两个或三个碎片。断面的特征就像是沙滩的外表和裂纹。三个断面实际上都很平坦，并且每个主面还包含一些高低不平的副面。5.2微观研究对齿轮上的三个主要断裂面都用电子显微镜进行了扫描（剑桥立体扫描360度）以确定裂纹产生的模式和机制。具体分析如下：齿根圆附近的断面图见图-3（a），其放大显示图见图-3（b）。裂纹的传播方向是由右至左,圆角部分是在最右端。在齿根圆下方约10um处发现了一条子断面裂纹（如图-3c）。在圆角的边缘附近,可以看到很多裂缝的产生一个地方沿不同方向扩展最终汇至齿根圆尖端(图(d))。在齿根圆下面的裂纹发源处没有发现治金退化现象或杂质。图-3.(a)-(d)扫裂纹起源区域断口组织的显微镜照片6.齿轮箱失效分析前面的研究在本节段综合以建立齿轮箱失效的原因。调查发现，失效是在一个坚实齿牙两边的齿根圆角尖端产生的。然而裂纹产生自齿根下方的子断面，其裂纹萌生模式由疲劳[1]引起。疲劳裂纹好象开始于齿根圆附近的粗颗粒。轮齿和齿根圆附近微观组织的调查研究表明齿根圆的微观组织不含有高硬度金相，比如马氏体或片状马氏体。相反，它的绝大部分区域富含粗糙的针状铁素体和合金。与硬度水平高达55-59RC的完全坚硬区域相比，齿根圆区的硬度水平相当低（只有32-38RC）。显然，齿根圆区域没有被感应硬化[2]。很显然，轮齿相当于一个悬臂梁。接触应力产生的弯矩集中在齿根圆区域。根据经验，最大弯曲应力在齿根圆[3]处。齿根圆缺乏合适金属结构的区域，将会很快产生疲劳裂纹。在目前的情况下,没有马氏体结构的圆角区域疲劳裂纹萌生较快。一旦齿牙破裂和折断，相邻的齿牙将会过载。结果，相邻的齿牙会在很短的时间内产生疲劳裂纹。这种连锁反应导致许多齿牙开裂。同时，其它地方也会产生疲劳，新一排的齿牙将会破裂。在齿牙坚硬度的区域没有发现损害，这表明齿牙的坚硬度的部分有足够的强度承受严重的过载。而且，轮齿一般没有刻痕和点蚀痕迹，尤其是在裂纹萌生地区。同样，在工作期间，润滑作用没有出现异常，并且失效与磨损也没有关系。7.结论和观点基于本研究得到以下结论1.齿轮的失效起源于轮齿两端的齿根圆，裂纹是由齿根处的疲劳裂纹引起的，该处具有较高的应力集中。2.齿根区是典型的柔软，非马氏体组织，这种组织富含粗糙的铁素体颗粒导致该区域只有35RC的硬度水平，比高硬度区低20个百分点。3.弯曲疲劳是在低应力下产生的，这表示齿根圆不面的组织较软（强度低）。疲劳产生的地点位于齿根以下（10-20um）的子表层。4.齿根圆和其附近没有任何冶金退化或粗物等，这表明失效与金属性能的退化没有关系。5.可以通过局部强化齿根圆区域，使其具有硬度水平在55RC的马氏体结构，以提高齿轮箱寿命。参考文献[1]Metalshandbook.Fractography,vol.12.MetalsPark,OH,USA:ASM;1987.[2]KraussGeorge.Steels:heattreatmentandprocessingprinciples,MetalsPark,OH;1990.[3]Metalshandbook.Failureanalysisandprevention,vol.11.MetalsPark,OH,USA:ASM;1986.