聚丙烯擠壓造粒機(jī)齒輪箱齒輪開裂原因分析

劉燕山

（福建古雷石化有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，福建漳州 363214）

1 概況

2016 年8 月，某公司聚丙烯裝置一線擠壓造粒機(jī)組齒輪箱齒輪發(fā)生損壞故障。該機(jī)組一直運(yùn)行平穩(wěn)，故障發(fā)生前出現(xiàn)規(guī)律的敲擊聲，幾天后解體檢修發(fā)現(xiàn)齒輪箱齒輪開裂。

該齒輪箱為國外進(jìn)口，于2009 年10 月投用。2013 年12 月大修期間更換了所有滾動(dòng)軸承，并對齒輪進(jìn)行著色檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

該擠壓造粒機(jī)組年產(chǎn)量33 萬噸，機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行8000 h/a，運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行，允許短時(shí)間停工加料。機(jī)組裝機(jī)功率9460 kW，實(shí)際運(yùn)行扭矩75%，最高90%。斷裂的齒輪沒有單獨(dú)的圖紙，齒輪的基本尺寸：外徑1300 mm，內(nèi)孔直徑380 mm，厚度380 mm。

2 分析樣品

分析樣品見圖1，經(jīng)檢查齒輪上的一個(gè)齒（圖1）存在開裂現(xiàn)象，裂紋長約340 mm。

圖1 分析樣品

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀分析

齒輪斷齒所在部位見圖2a，齒的一端面有穿透裂紋（圖2b），另一端面未見裂紋。齒兩側(cè)面均有裂紋，裂紋表面有金屬脫落現(xiàn)象，其一側(cè)裂紋一端位于齒頂，長約340 mm（距齒端部約38 mm）；另一側(cè)裂紋的一端位于齒根，長約319 mm（距齒端部約61 mm）。齒輪其他齒未見開裂、點(diǎn)蝕和明顯磨損現(xiàn)象。

圖2 斷齒部位及裂紋宏觀形貌

3.2 化學(xué)成分分析

對齒輪取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。除碳含量偏低外，其他元素滿足DIN EN 10250-3 中對34CrNiMo6 的化學(xué)成分要求。

3.3 室溫拉伸試驗(yàn)

對齒輪取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示齒輪材料強(qiáng)度較高。

3.4 沖擊試驗(yàn)

對齒輪取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

選取圖3 中“1”部位和“2”部位進(jìn)行金相觀察，組織均為馬氏體，晶粒細(xì)小。其形態(tài)略有差異（圖4）。

3.6 硬度測試

對金相試樣進(jìn)行硬度測試，測試部位見圖5，測試結(jié)果見表4。齒輪近外表層（A，B，C）處的硬度615.2～624.9 HV，而其他部位（D，E，F(xiàn)，G，H，I）處硬度341.4～431.2 HV，表層硬度比其他部位硬度高約200 HV，說明齒輪做了表層硬化處理。

3.7 斷口分析

3.7.1 宏觀斷口分析

根據(jù)斷裂齒嚙合面和非嚙合面裂紋尺寸，裂口寬度及金屬破碎情況判斷，啟裂部位應(yīng)靠近嚙合面?zhèn)龋⒔咏邶X長的中部位置。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 w%

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

將斷裂齒斷面分離后觀察斷口宏觀特征（圖6），發(fā)現(xiàn)斷面復(fù)雜，大小不一，臺(tái)階較多。但從斷面的擠壓及多數(shù)具有扇形斷面及貝殼紋特征，可以斷定斷口由多源疲勞斷裂形成。除疲勞斷面外，斷口上發(fā)現(xiàn)一處冶金缺陷。根據(jù)斷口整體宏觀輪廓及冶金缺陷所處位置判斷，冶金缺陷處應(yīng)為最早引發(fā)疲勞開裂的疲勞源。

3.7.2 微觀斷口分析

圖3 金相組織的觀察部位

圖4 金相組織

圖7 為齒輪斷齒斷口微觀形貌。由于受到疲勞過程中長期碾壓，使斷裂面擠壓磨損嚴(yán)重，但總體上還是表現(xiàn)出疲勞斷口的一些典型微觀形貌特征。

3.8 能譜分析

對齒輪裂紋部位及鋼中夾雜物進(jìn)行X 射線能譜分析（表5）。分析結(jié)果表明，裂紋內(nèi)塊狀或圓狀均與齒輪基體性質(zhì)相同，屬線切割形成的金屬顆粒。齒輪夾雜物主要為脆性氧化物類（氧化鎂和氧化鋁），局部有塑性硫化錳夾雜。

4 失效原因分析

輪齒折斷有多種形式，正常情況下主要是齒根彎曲疲勞折斷。因?yàn)樵谳嘄X受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。此外，在輪齒受到突然過載時(shí)，也可能出現(xiàn)過載折斷或剪斷。但該機(jī)組電機(jī)有過載保護(hù)，可以排除過載的發(fā)生。

失效齒輪斷裂從嚙合面節(jié)線附近啟裂，以約45°角向另一齒面疲勞擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到齒厚度中心區(qū)域時(shí)轉(zhuǎn)為平斷口擴(kuò)展一定程度后再轉(zhuǎn)向45°方向，最終在齒根處穿透。齒輪斷裂具有以下主要特征：

（1）齒輪材料化學(xué)成分、力學(xué)性能基本正常。

（2）裂紋貫穿齒厚，但未發(fā)生斷裂，也未見明顯塑性變形。

（3）多源、多臺(tái)階斷面、表面有金屬脫落。

（4）表面未見明顯的齒面磨損、變形及點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

（5）開裂部位未見無結(jié)構(gòu)或加工造成的應(yīng)力集中。

圖5 齒輪硬度測試位置

表4 硬度測試結(jié)果

圖6 配對斷口宏觀形貌

查閱齒輪箱運(yùn)行檢修記錄，此次開裂的齒輪為原裝齒輪，開裂前已累計(jì)運(yùn)行約56 000 h。2013 年12 月齒輪箱檢修中更換了所有滾動(dòng)軸承，齒輪著色檢查未發(fā)現(xiàn)異常。期間齒輪箱振動(dòng)記錄未發(fā)出報(bào)警信號，未出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象。機(jī)組運(yùn)行期間電機(jī)電流穩(wěn)定，齒輪箱未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

綜合分析認(rèn)為，機(jī)組正常運(yùn)行過程中，可排除運(yùn)行中異常工況波動(dòng)引起齒輪開裂的可能性。由于材料內(nèi)部缺陷誘發(fā)疲勞裂紋，在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中有不斷在應(yīng)力集中處萌生新的疲勞裂紋，多個(gè)疲勞源同時(shí)擴(kuò)展并不斷匯合，最終造成齒輪齒開裂。

圖7 斷口微觀形貌

5 建議

（1）加強(qiáng)對制造廠制造過程的質(zhì)量監(jiān)控，確保設(shè)計(jì)制造過程數(shù)據(jù)、制造工藝的準(zhǔn)確性。

（2）做好擠壓造粒機(jī)日常運(yùn)行維護(hù)，定期化驗(yàn)齒輪箱油品并做鐵譜分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油品異常情況。

（3）合理制定擠壓造粒機(jī)檢修周期，在機(jī)組長時(shí)期高負(fù)荷或滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，應(yīng)適當(dāng)縮短機(jī)組的檢修間隔時(shí)間。

（4）機(jī)組大修期間，由于磁粉監(jiān)測無法監(jiān)測齒輪內(nèi)部缺陷，應(yīng)采用新的TOFD（Time Of Flight Diffraction，衍射時(shí)差法超聲檢測）監(jiān)測技術(shù)，該檢測技術(shù)比常規(guī)超聲波監(jiān)測可靠性高25%～30%，準(zhǔn)確率達(dá)到80%～95%。

表5 金相試樣X 射線能譜主要元素分析結(jié)果