核電廠應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系損壞原因分析

梅俊 賀成龍

摘要：通過無(wú)損檢測(cè)、損傷特征觀察、金相組織分析、硬度檢測(cè)、加工質(zhì)量、承載能力計(jì)算等方法，系統(tǒng)分析了核電廠應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系損壞的原因。結(jié)合同類型應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系運(yùn)行情況，結(jié)果表明柴油機(jī)調(diào)試或運(yùn)行初期異物意外進(jìn)入正時(shí)齒輪系引起嚙合接觸異常，導(dǎo)致齒輪齒根疲勞開裂，并擴(kuò)展至齒頂斷裂，同時(shí)造成齒輪系的其它齒輪二次損傷。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急柴油機(jī);正時(shí)齒輪;損壞;失效分析

中圖分類號(hào)：TL3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0129-03

0? 引言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電廠最重要的專設(shè)安全設(shè)施之一。其功能是在正常廠用中壓母線因?yàn)閺S外電源喪失或者母線本身故障時(shí)，為應(yīng)急母線提供中壓電源以確保反應(yīng)堆安全停堆、防止重要廠用設(shè)備因?yàn)閺S用電源的喪失而造成的損壞和確保人身安全。

應(yīng)急柴油機(jī)使用的是4沖程12缸引擎，型號(hào)為VD45V12，由兩排每排6個(gè)汽缸組成，汽缸相互之間的角度為50°。柴油機(jī)齒輪傳動(dòng)系是柴油機(jī)的重要組成部分，包括安裝在曲軸上的曲軸齒輪、配氣凸輪軸上的凸輪軸齒輪、潤(rùn)滑油泵軸上的潤(rùn)滑油泵齒輪以及冷卻水泵軸上的水泵齒輪，見圖1所示。正時(shí)齒輪傳動(dòng)系的作用是驅(qū)動(dòng)凸輪軸、油泵、冷卻水泵等零部件工作。正時(shí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)往往直接影響到柴油機(jī)能否正常工作。

為查找和分析應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系損壞的原因，本文對(duì)失效齒輪系進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、損傷特征觀察、金相組織分析、硬度檢測(cè)、承載能力計(jì)算等工作。

1? 事件背景

某核電廠應(yīng)急柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速探頭突然無(wú)顯示，隨后解體檢查發(fā)現(xiàn)B列正時(shí)齒輪系存在斷齒和損傷現(xiàn)象（圖2）：①冷卻水泵齒輪1個(gè)齒變形嚴(yán)重，多個(gè)齒面存在異常磨損;②冷卻水泵中間齒輪多個(gè)齒面有異常磨損，有2個(gè)齒可見裂紋;③凸輪軸齒輪2個(gè)齒輪存在部分缺失;④B列凸輪軸中間齒輪1個(gè)齒面有裂紋。從調(diào)試至事件發(fā)生時(shí)，故障應(yīng)急柴油機(jī)大約運(yùn)行346小時(shí)，啟動(dòng)約246次。該臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系曾在機(jī)組調(diào)試期間由于齒輪軸設(shè)計(jì)制造問題進(jìn)行過全面解體。

2? 齒輪系肇事件判定

四個(gè)失效齒輪的傳動(dòng)順序?yàn)椋褐虚g小齒輪→凸輪軸齒輪→水泵中間（過渡）齒輪→水泵（主軸）齒輪，見圖3所示，詳細(xì)的嚙合情況見表1。凸輪軸齒輪的1#齒斷口宏觀存在疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶，其斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。中間小齒輪的16#齒裂紋斷口和水泵中間齒輪的47#齒裂紋斷口源區(qū)均為以沿晶為主+韌窩混合斷裂特征，這些均是齒面受到擠壓時(shí)靠近齒根的部位發(fā)生了過載開裂。中間小齒輪的16#齒原始裂紋區(qū)后期可見明顯的疲勞特征，表明該齒面受到擠壓發(fā)生過載開裂后運(yùn)轉(zhuǎn)了一段時(shí)間，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到交變應(yīng)力的作用，裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展。正時(shí)齒輪系嚙合損傷過程如圖4所示，因此，凸輪軸齒輪1#齒首先開裂，為肇事齒，各齒輪齒面上呈規(guī)律性分布的磨損較重的痕跡均為凸輪軸齒輪1#齒開裂（斷裂）后形成的二次損傷。

3? 凸輪軸齒輪1#齒失效原因分析

為了確定凸輪軸齒輪失效的原因，分別從凸輪軸齒輪斷口分析、齒輪材質(zhì)分析、齒輪加工質(zhì)量分析、承載能力計(jì)算以及同類型柴油機(jī)齒輪系檢查等五個(gè)方面開展分析。

3.1 凸輪軸齒輪斷口分析

對(duì)凸輪軸齒輪進(jìn)行了磁粉探傷，輪齒上存在摩擦裂紋，見圖5，不符合廠家技術(shù)規(guī)范要求。

在體視顯微鏡下對(duì)1#齒斷口進(jìn)行觀察，數(shù)得疲勞弧線共計(jì)20條，見圖6。疲勞起源于輪齒反面（與水泵中間齒輪的傳動(dòng)嚙合面）一側(cè)的齒根R處，距端面約7.5mm，1#齒斷口可分成Ⅰ-Ⅵ區(qū)。Ⅰ區(qū)裂紋從齒根R表面起源，呈點(diǎn)源特征，源區(qū)磨損較重，未見夾雜等冶金缺陷。

3.2 凸輪軸齒輪材質(zhì)分析

凸輪軸齒輪化學(xué)成分與EN 10086-1998 18NiCr5-4含量相符，其滲碳層及心部均為馬氏體組織，金相組織未見異常。采用顯微硬度法對(duì)齒輪輪齒的有效硬化層深度進(jìn)行測(cè)量，硬度梯度曲線見圖7。GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003推薦的齒根彎曲強(qiáng)度有效硬化層最佳深度0.1～0.2mn，齒輪的模數(shù)mn=5，則齒根處有效硬化層最佳深度為0.5～1.0mm，測(cè)得凸輪軸齒輪1#齒齒根的有效硬化層深度為0.65mm，符合ISO標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 凸輪軸齒輪加工質(zhì)量分析

該臺(tái)柴油機(jī)正時(shí)齒輪系解體前，齒輪嚙合間隙與竄動(dòng)量，及水泵中間齒輪齒頂晃動(dòng)量經(jīng)檢查未見異常。

對(duì)凸輪軸齒輪齒廓進(jìn)行計(jì)量，見圖8所示，未見明顯異常。

對(duì)凸輪軸齒輪齒廓形狀進(jìn)行觀察，見圖9所示，齒根R尺寸經(jīng)測(cè)量為1.31mm，符合ISO 53： 1998標(biāo)準(zhǔn)中的A型齒廓（齒根R=0.25mn，即R=1.25mm）。凸輪軸齒輪1#齒齒根R角表面的粗糙度值較相鄰齒及其它齒輪較高。

參照GB/T 10095.1-2008中表B.3可知，凸輪軸齒輪的精度等級(jí)為5-6級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凸輪軸齒輪的接觸斑點(diǎn)長(zhǎng)度應(yīng)占齒寬的80%。觀察凸輪軸齒輪/水泵中間齒輪，發(fā)現(xiàn)有嚙合偏載現(xiàn)象，接觸痕跡長(zhǎng)度占齒寬50%左右。凸輪軸齒輪1#齒裂紋起源于偏載接觸痕跡較重側(cè)。

綜上，凸輪軸齒輪加工質(zhì)量與此次齒輪斷裂無(wú)關(guān)，與異常偏載受力有關(guān)。

3.4 齒輪承載能力分析

對(duì)柴油機(jī)正時(shí)齒輪系承載能力進(jìn)行研究分析，按主要失效形式進(jìn)行必要的校核計(jì)算，為齒輪失效分析提供參考依據(jù)。參考GB3480-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法，齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，見表2;齒輪各載荷系數(shù)：動(dòng)載荷系數(shù)、齒寬偏載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)，見表3。由此可知，凸輪軸齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度以及彎曲疲勞強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。凸輪軸齒輪載荷計(jì)算結(jié)果表明，齒輪嚙合異常，凸輪軸齒輪易發(fā)生偏載現(xiàn)象。

3.5 同類型齒輪運(yùn)行檢查情況

根據(jù)本次事件的反饋，對(duì)核電廠剩下的7臺(tái)同類型柴油機(jī)齒輪系進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)同類型問題，且凸輪軸齒輪齒面嚙合情況良好。該型號(hào)柴油機(jī)廠家反饋同類型齒輪運(yùn)行多年未發(fā)生同類型問題。

4? 分析與討論

對(duì)應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系的各齒輪的輪齒嚙合損傷進(jìn)行觀察，凸輪軸齒輪1#齒為肇事齒，各齒輪齒面上的損傷痕跡均為凸輪軸齒輪斷齒后形成的二次損傷。

凸輪軸齒輪1#齒斷口源區(qū)未見夾雜等冶金缺陷，也未見較深的刀痕等加工缺陷;1#齒的硬化層及心部的金相組織正常;齒根處的有效硬化層深度符合GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003的要求。

凸輪軸齒輪1#齒斷口為典型的疲勞斷裂（宏觀存在疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)和疲勞弧線;微觀可見疲勞條帶）。根據(jù)齒面的接觸痕跡可知，凸輪軸齒輪在斷齒前存在明顯的偏載現(xiàn)象，造成輪齒內(nèi)側(cè)的接觸應(yīng)力大于外側(cè)， 1#齒裂紋起源于靠?jī)?nèi)側(cè)，因此，1#齒裂紋萌生主要與偏載有關(guān)。

根據(jù)齒輪承載能力計(jì)算結(jié)果，凸輪軸齒輪/水泵中間齒輪嚙合時(shí)載荷較小，載荷分布系數(shù)和載荷分配系數(shù)都很大。

根據(jù)上述分析，排除了凸輪軸齒輪材料、設(shè)計(jì)、制造共模缺陷。結(jié)合同類型應(yīng)急柴油機(jī)正時(shí)齒輪系嚙合檢查情況，分析認(rèn)為，應(yīng)急柴油機(jī)調(diào)試或運(yùn)行初期異物意外進(jìn)入齒輪非正常嚙合，造成凸輪軸齒輪嚙合偏載，凸輪軸齒輪齒面內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力過大，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致齒根疲勞裂紋及斷裂。

5? 結(jié)論

應(yīng)急柴油機(jī)調(diào)試或運(yùn)行初期異物意外進(jìn)入正時(shí)齒輪系引起非正常嚙合，造成凸輪軸齒輪嚙合偏載。凸輪軸齒輪在沖擊與彎曲載荷共同作用下發(fā)生了疲勞斷裂，疲勞裂紋產(chǎn)生于嚙合面偏載處，最終擴(kuò)展導(dǎo)致輪齒斷裂，又進(jìn)一步造成齒輪系的其它齒輪二次損傷。

參考文獻(xiàn)：

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