減速機(jī)弧齒錐齒輪齒面電蝕失效分析

朱孝錄，李東武，薄文麗

1.北京科技大學(xué) 北京 100083

2.沃德傳動（天津）股份有限公司 天津 300409

1 序言

由于某種原因（例如軸電流、焊接過電流等），兩齒輪嚙合齒面之間出現(xiàn)一定的電位差，齒面間就會出現(xiàn)電弧或電火花，使齒面上留下電蝕的痕跡——電蝕坑。如果在電子顯微鏡下觀察電蝕的齒面，可以看到電蝕區(qū)中有許多邊緣光滑的小弧坑，有時還能看到金屬熔化的痕跡。當(dāng)電蝕現(xiàn)象嚴(yán)重時，齒面損壞很快，齒輪隨之失效[1-3]。

在GB/T 3481—1997 《齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語》中，對齒輪電蝕的定義是：由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作用，在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑。齒面有時出現(xiàn)較大面積灼傷，其邊緣呈現(xiàn)回火色。

圖1是由大電流引起嚴(yán)重電蝕的齒面形貌。

圖1 由大電流引起嚴(yán)重電蝕的形貌

常見的齒輪電蝕有兩種：一是由電動機(jī)軸電流引起齒輪電蝕；二是由焊接過電流引起齒輪電蝕。由軸電流引起齒輪電蝕的研究論文和資料較多，但對于由焊接過電流引起齒輪電蝕失效的論文極為少見。本文研究的正是減速機(jī)弧齒錐齒輪齒面焊接過電流引起的電蝕失效，對齒面電蝕的形貌進(jìn)行了宏觀和微觀觀察，分析了電蝕齒面損傷的模式，并提出了防止齒輪電蝕的措施。

2 減速機(jī)錐齒輪齒面失效概述

應(yīng)用于煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)的減速機(jī)，因運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動和異響而下線檢查。減速機(jī)的外觀如圖2所示。

圖2 減速機(jī)外觀

該減速機(jī)的基本信息如下：

電動機(jī)功率P=700kW，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，傳動比i=16.03，減速機(jī)高速軸直徑d=100mm。

大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位如圖3所示。從圖中可見，大小錐齒輪上只有兩個齒面上有大片剝落的損傷斷口。

大齒輪的損傷齒面如圖4所示，小齒輪的損傷齒面如圖5所示，兩者的齒面損傷區(qū)極為相似，是能夠耦合的。

大齒輪其他輪齒的齒面上都有圖6所示的壓痕，小齒輪其他輪齒的齒面上都有圖7所示的壓痕。

這些壓痕是失效齒面（見圖4和圖5）上高低不平斷口，在運(yùn)轉(zhuǎn)時輪齒追越造成的。

圖4和圖5所示的齒面損傷是如何產(chǎn)生的？據(jù)現(xiàn)場人員反映，在減速機(jī)靜止的情況下，曾經(jīng)動用焊機(jī)在與減速機(jī)連接的構(gòu)件上焊接零件，從而造成齒面電蝕損傷。為了查明齒面損傷的原因，進(jìn)行以下的觀察和分析工作。

圖3 大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位

圖4 大齒輪的損傷齒面

圖5 小齒輪的損傷齒面

圖6 大齒輪其他輪齒齒面上的壓痕

圖7 小齒輪其他輪齒齒面上的壓痕

3 齒面失效形貌的宏觀觀察

從小錐齒輪上切割下來的齒面失效斷口如圖8所示。這是一個很復(fù)雜的斷口，其中有深淺坑洼區(qū)、邊緣磨平區(qū)、未磨平區(qū)、脊棱區(qū)及焊粒飛濺區(qū)等。此外還有斷口周圍的無焊粒飛濺區(qū)。

圖8 齒面失效斷口

整個斷口可分為兩大部分：上部和下部。上部圖中可以清晰地看到飛濺的焊粒粘結(jié)齒面的痕跡。下部圖中看不到飛濺的焊粒粘結(jié)齒面的痕跡，只能看到齒面磨削加工的刀痕。

從上述斷口的宏觀形貌來看，大小錐齒輪遭受焊機(jī)焊接時大電流過電電蝕的可能性很大。為此，需要采用齒面斷口電鏡觀察的手段來進(jìn)一步證實(shí)。

4 齒面失效形貌的微觀觀察

為了查明原因，從小齒輪上切取斷口試樣，并將齒面斷口試樣置于電子顯微鏡上觀察斷口的形貌。斷口試樣如圖9所示。圖中畫出了電鏡觀察點(diǎn)的編號：1～15。以下選擇幾個有典型特征的觀察點(diǎn)，做進(jìn)一步的觀察和分析。

圖9 斷口試樣及觀察點(diǎn)編號

1）觀察點(diǎn)3的電鏡照片（高倍）如圖10所示。圖中直徑約2μm的孔洞很像韌窩，其實(shí)是不同大小的電蝕坑。

2）觀察點(diǎn)5位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖11所示。圖中呈現(xiàn)大量孔洞疏松的結(jié)構(gòu)，具有電蝕特征，并有表面磨平的部分。表面疏松是過度電蝕的結(jié)果。

圖10 觀察點(diǎn)3的電鏡照片（2000×）

圖11 觀察點(diǎn)5的電鏡照片（200×）

3）觀察點(diǎn)6也位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖12所示。圖中呈現(xiàn)非常清晰的大小不同（φ1～φ4μm）的孔洞，孔洞的邊緣沒有裂紋，這是一種非常典型的電蝕形貌。圖12中可見齒面磨削刀紋，齒面未遭受磨損，因此電蝕坑呈現(xiàn)原始狀態(tài)。

在觀察點(diǎn)6的孔洞邊緣表面做能譜成分測定，結(jié)果是Cr和Fe；在觀察點(diǎn)6的孔洞內(nèi)做能譜成分測定，結(jié)果是Cr和Fe的氧化物。

4）觀察點(diǎn)8位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖13所示。圖中呈現(xiàn)大量大小不同（φ1～φ5μm）的圓形孔洞，孔洞的周圍沒有任何裂紋，它不是點(diǎn)蝕，而是典型的電蝕形貌。由于電蝕表面經(jīng)過磨損，因此比較平整。

5）觀察點(diǎn)10也位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖14所示。其斷口呈現(xiàn)非常破碎的形貌，其實(shí)質(zhì)是過度電蝕造成的。

圖12 觀察點(diǎn)6的電鏡照片（1500×）

圖13 觀察點(diǎn)8的電鏡照片（1000×）

圖14 觀察點(diǎn)10的電鏡照片（500×）

圖15 觀察點(diǎn)13的電鏡照片（2000×）

6）觀察點(diǎn)13位于斷口的中部區(qū)域，如圖15所示，顯示了運(yùn)轉(zhuǎn)后齒面碎裂的形貌。圖中圓形孔洞是電蝕的形貌。

5 齒面失效斷口的分析

1）上述的觀察點(diǎn)5、6、8、10、13的圖片中，都能觀察到大量的圓形蝕坑。這種蝕坑的特征：呈現(xiàn)圓形，周圍沒有任何裂紋，是電蝕坑的典型形貌。

2）電蝕形貌最明顯的觀察點(diǎn)5、6、8、9、10都位于斷口的邊緣，非邊緣部位的電蝕形貌不很明顯，但并不是說沒有受到電蝕，這是因?yàn)辇X輪運(yùn)轉(zhuǎn)破壞了原始的電蝕斷口。

3）齒面電蝕模型可以設(shè)想如下：兩個齒面的接觸情況如圖16、圖17所示。如果沒有載荷，其齒面接觸可能是一條線或一個點(diǎn)，但在電蝕的時候，實(shí)際上是一個電蝕區(qū)（見圖16）。在過電流電蝕時，接觸區(qū)遭到電蝕，金屬熔化粘結(jié)，但在后來的運(yùn)轉(zhuǎn)時，會撕裂齒面的粘結(jié)，形成兩個斷口（見圖17）。由于齒面接觸區(qū)的圓周速度并不相同（見圖17中v1、v2），經(jīng)過齒輪多次追越嚙合后，電蝕斷口會在滾動滑動中磨去部分電蝕坑，而在電蝕區(qū)的邊緣區(qū)域能保留完整的電蝕形貌，這就是電蝕形貌特征最明顯的觀察點(diǎn)5、6、8、9、10、12都位于斷口邊緣的原因。

圖16 兩個齒面的接觸情況示意

圖17 兩個齒面電蝕區(qū)的撕裂示意

以上的觀察和分析是最基本的，實(shí)際情況要比想象復(fù)雜得多，例如粘結(jié)點(diǎn)的撕裂、焊點(diǎn)金屬的熔化和焊粒的飛濺等都會影響電蝕斷口的形貌。因此，上述的模型還不足以詮釋全部斷口的形貌特征，但齒面存在電蝕損傷這一點(diǎn)是確信無疑的。

6 失效分析的結(jié)論和預(yù)防措施

根據(jù)以上弧齒錐齒輪齒面斷口的宏觀觀察、微觀觀察和分析，可以得到以下結(jié)論：焊接過電流電蝕是刮板運(yùn)輸機(jī)減速機(jī)弧齒錐齒輪齒面失效的原因。雖然只有一對齒的齒面出現(xiàn)大面積的電蝕斷口，但也足以破壞齒輪傳動的平穩(wěn)性，使減速機(jī)出現(xiàn)異常的振動和噪聲。這就是減速機(jī)弧齒錐齒輪報廢的原因。預(yù)防這種焊接過電流電蝕的措施，就是不允許在沒有預(yù)防措施的條件下對減速機(jī)或與減速機(jī)連接的構(gòu)件實(shí)施焊接。