工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈非正常失效原因探究

李盛

(四川工業(yè)科技學(xué)院，四川德陽(yáng) 618500)

0 引言

工程機(jī)械一直是重大生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的重要機(jī)具，因其生產(chǎn)效率高、適應(yīng)范圍廣、輸出功率和扭矩大等特點(diǎn)頗受用戶青睞。由于自身具有生產(chǎn)難度大、制造工藝水平要求高等特點(diǎn)，各國(guó)都把工程機(jī)械的制造裝配水平作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)科技實(shí)力的重要標(biāo)志，由此可見(jiàn)，作為動(dòng)力源的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性不言而喻。當(dāng)中作為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)核心零部件之一的起動(dòng)齒圈，一旦發(fā)生非正常失效將直接影響設(shè)備的正常工作和使用。相比非正常失效，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈的常規(guī)失效領(lǐng)域主要集中在使用環(huán)節(jié)，這種常規(guī)失效的出現(xiàn)屬于情理之中，因?yàn)闄C(jī)械零部件只要被使用就會(huì)產(chǎn)生磨損、銹蝕和沖擊等，這些失效形式的出現(xiàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈正常使用過(guò)程中零部件疲勞的一種必然結(jié)果[1]。與之相對(duì)的還有非正常失效，它出現(xiàn)的時(shí)機(jī)、形式具有很大的隨機(jī)和不確定性，但是它造成的危害則相當(dāng)嚴(yán)重，不僅會(huì)影響設(shè)備正常工作，造成工程進(jìn)度的延緩，甚至?xí)＜艾F(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。所以，有效避免發(fā)動(dòng)機(jī)非正常失效，不但可以延續(xù)零部件的正常使用周期，而且可以推遲零部件疲勞期的提前。

1 工作原理與性能特征

1.1 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪外部的一圈有輪齒的金屬零件，其作用主要是通過(guò)輪齒與起動(dòng)電機(jī)嚙合，將起動(dòng)電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能繼而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將起動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因?yàn)楣こ虣C(jī)械對(duì)動(dòng)力性和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率有比較高的要求，所以當(dāng)前設(shè)備的動(dòng)力源依然以內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)為主，而且通常缸徑較大，主流發(fā)動(dòng)機(jī)基本已經(jīng)從120為主逐步轉(zhuǎn)換為以135為主，因此起動(dòng)齒圈的齒數(shù)相對(duì)也較多。

1.2 性能特征

由于工程機(jī)械的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，設(shè)備負(fù)載大，這就要求起動(dòng)齒圈在工作時(shí)零部件具有良好的抗沖擊性能。同時(shí)，為保證設(shè)備能夠滿足長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，齒圈輪齒的芯部還要求具有良好的韌性，以便于能夠吸收輪齒間嚙合產(chǎn)生的沖擊能量，而不至于使輪齒崩斷。為此，在材料的選擇和熱處理工藝上就要兼顧加工和使用兩方面的需求?，F(xiàn)在一般主機(jī)廠使用的起動(dòng)齒圈材料也經(jīng)過(guò)一番變革，過(guò)去因在技術(shù)上主要是借鑒日本同類產(chǎn)品的指標(biāo)，基本都是選用20鋼，現(xiàn)在基本以45中碳鋼為主。因?yàn)?5鋼的綜合性能指標(biāo)和材料性能可以滿足和保證日常生產(chǎn)使用要求，同時(shí)其綜合技術(shù)指標(biāo)比過(guò)去的20鋼也有重大提升。

2 起動(dòng)齒圈失效形式及原因

飛輪起動(dòng)齒圈從外部形狀而言屬于環(huán)形結(jié)構(gòu)，在正常使用過(guò)程中由于連續(xù)的摩擦、沖擊和頻繁的嚙合接觸等原因，致使輪齒表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、磨損、折斷等現(xiàn)象，導(dǎo)致輪齒間噪聲、間隙變大，甚至無(wú)法正常嚙合，機(jī)構(gòu)間無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)飛輪起動(dòng)總成失效。上述現(xiàn)象是設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)工作導(dǎo)致的結(jié)果，屬于正常工作狀態(tài)下的正常失效。除此之外，在工程機(jī)械的工作現(xiàn)場(chǎng)偶爾還會(huì)遇到輪齒崩裂、折斷、打齒、裂紋等情況。此類情形并非屬于正?，F(xiàn)象，而且出現(xiàn)的時(shí)機(jī)、位置往往具有突發(fā)和隨機(jī)性，所以把此類失效形式歸為非正常失效。

因?yàn)榉钦ＪУ男问蕉鄻?、成因?fù)雜，所以在分析過(guò)程中一般都采用逆推法，即從生產(chǎn)制造和裝配源頭去理清成因，避免今后類似問(wèn)題的再次出現(xiàn)。

2.1 熱處理導(dǎo)致新齒斷裂

在起動(dòng)齒圈生產(chǎn)制造過(guò)程中通常都安排有機(jī)加工和熱處理工序，為保證產(chǎn)品質(zhì)量符合技術(shù)要求，生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)對(duì)工藝路線、方法和步驟等進(jìn)行有針對(duì)性的改善，以期取得合格的產(chǎn)品?，F(xiàn)在在熱處理環(huán)節(jié)廣泛采用感應(yīng)(高頻)淬火，在實(shí)施過(guò)程中要求保持輪齒齒面淬透，同時(shí)齒根具有一定的硬化深度，齒根內(nèi)部則要求具有一定的韌性。因?yàn)樵诠ぷ鬟^(guò)程中，輪齒表面具有一定的硬度就可以有效避免沖擊帶來(lái)的損害，還可以吸收輪齒沖擊產(chǎn)生的能量使輪齒不會(huì)折斷。如果輪齒齒根未達(dá)到有效硬化深度，就會(huì)在輪齒齒面形成殘余壓應(yīng)力，而沒(méi)有得到有效硬化的齒根則表現(xiàn)為彎曲拉應(yīng)力，彎曲拉應(yīng)力會(huì)使齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度明顯降低，嚴(yán)重者會(huì)致使齒根折斷等[2]。也就意味著在工作過(guò)程中出現(xiàn)的輪齒折斷實(shí)際與齒根沒(méi)有淬火硬化到位、齒面有殘余壓應(yīng)力有很大關(guān)系。因?yàn)辇X根部位的彎曲疲勞強(qiáng)度降低以后，齒面的殘存壓應(yīng)力在工作過(guò)程中會(huì)對(duì)齒根形成一定的壓力，當(dāng)瞬時(shí)產(chǎn)生的力足夠大時(shí)，就會(huì)使其折斷。實(shí)踐證明起動(dòng)齒圈的熱處理硬化深度沒(méi)有達(dá)到規(guī)定要求，是起動(dòng)齒圈發(fā)生非正常折斷的主要原因之一。

2.2 材料裂紋與原理誤差導(dǎo)致失效

工程機(jī)械起動(dòng)齒圈材料目前雖然以45鋼為主，但是也有一些產(chǎn)品因使用要求的原因，在材料的選擇上存在差異。例如：某公司在其150系列大功率高速柴油機(jī)上，起動(dòng)齒圈選擇45Cr鋼，在高頻淬火過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋。其中既有熱處理工藝的原因，也有材料自身的原因(碳含量高)，這是最常見(jiàn)的非正常失效形式，還有輪齒齒根與節(jié)圓位置在熱處理過(guò)程中也容易產(chǎn)生開裂[3]。作者原工作單位在齒圈的生產(chǎn)過(guò)程中也多次遇到上述類似問(wèn)題，原因在于原材料供應(yīng)單位的鋼材含碳量過(guò)高，導(dǎo)致材料硬度過(guò)大，再經(jīng)過(guò)淬火后輪齒表面硬度高于60HRC(設(shè)計(jì)要求在55～58HRC)。一旦投入工程機(jī)械使用遇到瞬時(shí)受力過(guò)載，就會(huì)導(dǎo)致在應(yīng)力集中部分發(fā)生非正常失效(參見(jiàn)圖1)。這種失效情形具有一定的隱蔽性，并非設(shè)計(jì)原理問(wèn)題和常見(jiàn)現(xiàn)象，一旦發(fā)生排查起來(lái)有很大難度，但確實(shí)是導(dǎo)致失效的主要成因。除此之外，還有齒根部位的設(shè)計(jì)問(wèn)題。齒根相對(duì)強(qiáng)度不足、齒根圓角曲率的大小也是導(dǎo)致失效的一個(gè)誘因[4]。

圖1 返廠非正常失效飛輪齒圈

2.3 加工過(guò)程導(dǎo)致失效

作者原工作單位在起動(dòng)齒圈經(jīng)過(guò)機(jī)加工工序后，后續(xù)會(huì)安排滾齒和倒角工序，毛坯件在滾齒和倒角后，在齒面和齒根處實(shí)際會(huì)留有加工積痕。這是刀具在工件表面滾過(guò)、與材料接觸而形成的一種推擠現(xiàn)象。如果不加以清除，在后期零部件裝配投入使用后，積痕處會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中點(diǎn)就位于積痕位置上，輪齒的失效率先從積痕位置展開，有些輪齒的崩斷就與此有關(guān)。為此，在機(jī)加工工序結(jié)束后，往往要安排一個(gè)光整工序，通過(guò)光整清除積痕，避免以后在設(shè)備投入使用后而發(fā)生非正常的失效。

2.4 過(guò)盈裝配及質(zhì)量管理問(wèn)題

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈與飛輪裝配過(guò)程中采用過(guò)盈配合，過(guò)盈量的大小直接關(guān)系到起動(dòng)齒圈與飛輪接觸面上的應(yīng)力大小，而且這種變化是成正比變化[5]。過(guò)盈配合過(guò)程中，對(duì)零部件產(chǎn)生的壓力相比較也是隨著過(guò)盈量的變化而變化。為防止非正常失效的出現(xiàn)，保證零部件裝配完畢后的正常使用，對(duì)過(guò)盈量的控制顯得尤為重要。

其次是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中質(zhì)量的監(jiān)管問(wèn)題。除去原理性問(wèn)題外，很多非正常失效來(lái)源于質(zhì)量管理問(wèn)題，比如檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，在對(duì)零件進(jìn)行磁粉探傷后，還要進(jìn)行其他技術(shù)檢驗(yàn)，除去材料含碳量的檢測(cè)，熱處理后零件硬度的檢驗(yàn)、生產(chǎn)中形位尺寸的檢驗(yàn)等也是關(guān)鍵。當(dāng)前盡管汽車行業(yè)已經(jīng)全部納入16949體系化管理,但是在具體操作過(guò)程中依然有個(gè)別問(wèn)題亟待提高和解決。

3 解決對(duì)策和方法

針對(duì)導(dǎo)致工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈非正常失效的原因，要徹底解決需要先解決好幾個(gè)方面的問(wèn)題。首先，要嚴(yán)把選材關(guān)。對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)流程的原材料進(jìn)行理化檢驗(yàn)，確保元素指標(biāo)符合技術(shù)要求。在毛坯鍛造過(guò)程中，防止因?yàn)殄懺旃に嚥缓侠矶鴮?dǎo)致的金屬內(nèi)部組織的應(yīng)力集中、開裂等問(wèn)題出現(xiàn)，要從源頭開始監(jiān)管并加以杜絕。重點(diǎn)嚴(yán)控生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)，針對(duì)機(jī)加工過(guò)程中在工件表面產(chǎn)生的積痕，要安排專門工序進(jìn)行清理，防止應(yīng)力集中存在。在熱處理工序環(huán)節(jié)，對(duì)不同形狀尺寸的齒圈要嚴(yán)格工藝要求，防止出現(xiàn)過(guò)淬或者欠淬以及淬不透等現(xiàn)象。同時(shí)，做好全程的檢驗(yàn)規(guī)程的制定和安排，要把抽檢和自檢相結(jié)合，防止由于疏漏導(dǎo)致不合格品的流出。最后，要加大對(duì)安裝和裝配工人的培訓(xùn)，做好工裝夾具精度的控制，從裝配環(huán)節(jié)控制誤差范圍和檢測(cè)工作[6]，確保起動(dòng)齒圈生產(chǎn)制造裝配環(huán)節(jié)質(zhì)量，消除非正常失效的源頭。

4 結(jié)語(yǔ)

在工程機(jī)械迅猛發(fā)展的今天，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈質(zhì)量的優(yōu)劣決定了內(nèi)燃機(jī)正常持續(xù)工作的周期，因?yàn)槠饎?dòng)齒圈的問(wèn)題很可能導(dǎo)致整臺(tái)設(shè)備提前出現(xiàn)非正常失效。這種現(xiàn)象造成的影響和損失是巨大的，研究非正常失效就是為正常工作提供技術(shù)保障和支持，未來(lái)盡可能減少或者不發(fā)生非正常失效的現(xiàn)象，使設(shè)備能長(zhǎng)期發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造更多的價(jià)值。