分析減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效及處理

黃運敏

（廣西魚峰水泥股份有限公司 廣西柳州 545008）

某生產(chǎn)企業(yè)所用減速機(jī)高速軸突然產(chǎn)生早期斷裂現(xiàn)象，通過現(xiàn)場查看可知，電機(jī)和減速機(jī)間的耦合器均已完全脫離，且殼體破碎，其它和這一高速軸一同參與運轉(zhuǎn)的齒輪軸，均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形。此高速軸屬于典型的齒輪軸，發(fā)生斷裂后齒面依然保持完好，未發(fā)生變形與斷齒?，F(xiàn)圍繞這一減速機(jī)高速軸實際情況，對其斷裂失效作如下深入分析。

1 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂檢測

1.1 基礎(chǔ)資料收集

基礎(chǔ)資料的收集是進(jìn)行減速機(jī)高速齒輪軸斷裂檢測工作的重要基礎(chǔ)，對后續(xù)檢測工作的正常開展，以及得到準(zhǔn)確的檢測結(jié)果均有重要作用和意義，應(yīng)引起相關(guān)人員的重視。此次研究的主要對象為3C710NE型減速機(jī)，其速比、輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速分別為1：2.034、710kW和741r/min。根據(jù)生產(chǎn)單位提交的相關(guān)工藝圖紙，其硬度需要達(dá)到59-62HRC的要求[1]。

1.2 主要成分檢測

對于該減速機(jī)，其高速齒輪軸以17CrNiMo6鋼為主要原材料，在取樣后，用光譜測定儀與碳硫儀進(jìn)行成分含量測定，測定結(jié)果為：碳含量0.18%、錳含量0.57%、硅含量0.27%、磷含量0.011%、硫含量0.003%、鉻含量1.73%、鎳含量1.55%、鉬含量0.28%。通過對相關(guān)資料的查證可知，該原材料為德國牌號，成分方面的技術(shù)要求為：碳含量在0.15～0.19%范圍內(nèi)、錳含量在0.40～0.60%范圍內(nèi)、硅含量在0.15～0.40%范圍內(nèi)、磷含量不得小于0.025%、硫含量不得小于0.025%、鉻含量在1.50～1.80%范圍內(nèi)、鎳含量在1.40～1.70%范圍內(nèi)、鉬含量在0.25～0.35%范圍內(nèi)。通過對比可知，該件硫、磷等元素含量滿足技術(shù)要求[2]。

1.3 主要夾雜物的檢測

取樣后將其加熱到900℃，恒溫保持45min之后，隨爐冷卻處理后金相制樣觀測，并和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比與綜合評價。經(jīng)評價，該件夾雜等級為1，可以滿足技術(shù)要求。

1.4 主要力學(xué)性能檢測

為對該件原材料各項力學(xué)性能進(jìn)行檢測，通過線切割制得拉伸試樣與沖擊試樣。其中，拉伸試樣屬于非標(biāo)準(zhǔn)形式的板狀試樣，其截面面積為4mm×10mm；而沖擊試樣則屬于U型缺口形式的試樣。

1# 拉伸試樣的 σs為 575.6MPa，σb為 1072.5MPa，δ為 24%，ψK為46.089%；2#拉伸試樣的 σs為 427.2MPa，σb為 1068.5MPa，δ 為 23.23%，ψK為 46.205%；σs的平均值為 501.4MPa，σb的平均值為 1070.5MPa，δ 的平均值為23.62%，ψK的平均值為46.147%。1#沖擊試樣的AXU為71.5J，aKU為 89.4J/cm2；2# 沖擊試樣的 AXU為 82.0J，aKU為 102.5J/cm2；AXU的平均值為76.8J，aKU的平均值為95.9J/cm2。

從測試結(jié)果中可以看出，該件原材料在熱處理后，通過和相關(guān)資料的比對，在所有力學(xué)性能當(dāng)中：塑性指標(biāo)相對較好，有較強(qiáng)沖擊韌性，且斷裂極限處在正常狀態(tài)，但屈服極限指標(biāo)相對較低。采用經(jīng)驗公式，可對疲勞極限進(jìn)行估算，結(jié)果為424.4MPa。此外，在軸鍵槽的根部，其半徑相對較小，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，承擔(dān)極大拉應(yīng)力，若未對其進(jìn)行有效處理，將產(chǎn)生疲勞裂縫，最終導(dǎo)致早期失效[3]。

1.5 HRC檢測

對軸內(nèi)截面與外柱面進(jìn)行取樣檢測，其結(jié)果為：外柱面的硬度分別為 35、33.5、38、37、37、36.8、37、35.8，平均值為 36.2；內(nèi)截面分三個區(qū)域，截面邊緣的硬度分別為34.5、33.0、33.3、33.9，平均值為33.7；過渡區(qū)域的硬度分別為 34.5、34.0、36.0、34.5、35.5，平均值為 34.9；截面心部的硬度分別為 36.0、36.0、36.0、37.5、38.0，平均值為 36.7。從以上結(jié)果可以看出，該件硬度為35-38HRC，未能達(dá)到要求，即59-62HRC，而且和其它相關(guān)資料提出的要求也有很大差距。

2 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂宏、微觀分析

2.1 宏觀分析

宏觀分析是指人員利用肉眼對高速軸進(jìn)行觀察，根據(jù)自身經(jīng)驗確定高速軸基本情況，找出異常和特征處所在。雖然斷口的擦傷破壞已經(jīng)十分嚴(yán)重，但在從斷裂特征可以看出，并不存在在發(fā)生斷裂前有較大塑性變形現(xiàn)象的痕跡，在宏觀特性方面，可將其定義成脆性斷裂。對件進(jìn)行取樣測試后得知，屈服極限相對較低，但塑性指標(biāo)與沖擊韌性卻依然良好，而斷裂過程中，韌、塑性并未充分體現(xiàn)，說明疲勞斷裂和斷裂特征完全相符，無法支持瞬間斷裂。通過對斷口的觀察，可發(fā)現(xiàn)其具有顯著的疲勞斷裂特點，即疲勞貝紋線，而疲勞貝紋線的所在區(qū)域就是裂紋主要萌生區(qū)。

2.2 顯微組織分析

對件的表面與心部進(jìn)行取樣觀察和分析，處在軸表面和心部的組織并無本質(zhì)上的差別，這說明表面上不存在進(jìn)行過熱處理的痕跡。基于此，還對顯微硬度進(jìn)行了檢測，同樣未能發(fā)現(xiàn)明顯差異。

2.3 顯微硬度檢測

對件外表面上的橫截面進(jìn)行取樣檢測，從檢測結(jié)果可以看出，件表面、心部和過渡層三部分的顯微硬度沒有明顯差異，不存在進(jìn)行過熱處理的痕跡。

2.4 微觀分析

微觀分析是指利用專門的儀器對高速軸上肉眼無法觀察的部分進(jìn)行仔細(xì)分析。在實際的分析過程中，為驗證件的疲勞特性，對斷口實施分截與切割，對處在裂紋區(qū)域的部位實施掃描分析，由此可以觀察到塑性疲勞條紋，說明該件失效于疲勞斷裂。

3 減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效原因與處理

通過細(xì)致、全面的斷口分析，此減速器高速軸發(fā)生的斷裂，在方式上主要為疲勞斷裂，同時斷口上存在若干疲勞裂紋源。除此之外，對該件所用原材料各項性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示其屈服極限相對較低，并對件的硬度進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)此件有進(jìn)行過熱處理的明顯痕跡，也未能達(dá)到預(yù)期的硬度要求，表面強(qiáng)度難以達(dá)到規(guī)范要求，導(dǎo)致在表面和鍵槽等處產(chǎn)生一定數(shù)量的疲勞裂縫源，縮短其使用壽命，最終產(chǎn)生疲勞破壞。

需要注意的是，此高速軸屬于典型的齒輪軸，發(fā)生斷裂后，齒面依然保持完好，未發(fā)生變形與斷齒，同時也不支持瞬間斷裂。其它和這一高速軸一同參與運轉(zhuǎn)的齒輪軸，均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形，推測產(chǎn)生在高速軸發(fā)生疲勞斷裂以后，與之相連的耦合器殼體由于離心力相對較大而被直接甩出的過程當(dāng)中。與此同時，在發(fā)生破壞的具體過程中，液力耦合器外殼和高速軸的斷面產(chǎn)生一定擦碰擠壓作用，致使斷口出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，但被取走的部分，由于在殼軸套中得以有效保護(hù)，所以未發(fā)生嚴(yán)重破壞。

4 結(jié)論

通過以上分析，可得出下列結(jié)論：

（1）此減速器高速軸發(fā)生斷裂的主要方式屬于多源式疲勞斷裂，是脆性斷裂的一種，通過觀察，主裂紋源產(chǎn)生在鍵槽上的受力面；

（2）通過檢測，減速器高速軸主要原材料各類成分含量與夾雜物含量及級別都能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的具體要求；

（3）經(jīng)檢測，此減速器高速軸表面硬度僅有35～38HRC，而內(nèi)部硬度也只有36～38HRC。對于表面硬度，未能滿足生產(chǎn)方提出的必須達(dá)到59～62HRC的具體要求，同時也未能檢測到在表面采用了硬化層，說明其硬化處理不到位；

（4）此減速器高速軸的所有力學(xué)性能當(dāng)中，僅屈服極限相對較低，此軸鍵槽根部處于工作狀態(tài)時，將承擔(dān)很大的拉應(yīng)力，且這一拉應(yīng)力為集中分布形式，若未對其進(jìn)行及時有效的處理，則將在此處產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致此減速器高速軸徹底失效。