核電廠應急柴油機正時齒輪系損壞原因分析

梅俊 賀成龍

摘要：通過無損檢測、損傷特征觀察、金相組織分析、硬度檢測、加工質量、承載能力計算等方法，系統(tǒng)分析了核電廠應急柴油機正時齒輪系損壞的原因。結合同類型應急柴油機正時齒輪系運行情況，結果表明柴油機調試或運行初期異物意外進入正時齒輪系引起嚙合接觸異常，導致齒輪齒根疲勞開裂，并擴展至齒頂斷裂，同時造成齒輪系的其它齒輪二次損傷。

關鍵詞：應急柴油機;正時齒輪;損壞;失效分析

中圖分類號：TL3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0129-03

0? 引言

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

應急柴油機使用的是4沖程12缸引擎，型號為VD45V12，由兩排每排6個汽缸組成，汽缸相互之間的角度為50°。柴油機齒輪傳動系是柴油機的重要組成部分，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、潤滑油泵軸上的潤滑油泵齒輪以及冷卻水泵軸上的水泵齒輪，見圖1所示。正時齒輪傳動系的作用是驅動凸輪軸、油泵、冷卻水泵等零部件工作。正時齒輪傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)往往直接影響到柴油機能否正常工作。

為查找和分析應急柴油機正時齒輪系損壞的原因，本文對失效齒輪系進行了無損檢測、損傷特征觀察、金相組織分析、硬度檢測、承載能力計算等工作。

1? 事件背景

某核電廠應急柴油機試驗時，柴油機轉速探頭突然無顯示，隨后解體檢查發(fā)現(xiàn)B列正時齒輪系存在斷齒和損傷現(xiàn)象（圖2）：①冷卻水泵齒輪1個齒變形嚴重，多個齒面存在異常磨損;②冷卻水泵中間齒輪多個齒面有異常磨損，有2個齒可見裂紋;③凸輪軸齒輪2個齒輪存在部分缺失;④B列凸輪軸中間齒輪1個齒面有裂紋。從調試至事件發(fā)生時，故障應急柴油機大約運行346小時，啟動約246次。該臺應急柴油機正時齒輪系曾在機組調試期間由于齒輪軸設計制造問題進行過全面解體。

2? 齒輪系肇事件判定

四個失效齒輪的傳動順序為：中間小齒輪→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)生過載開裂后運轉了一段時間，在運轉過程中受到交變應力的作用，裂紋發(fā)生疲勞擴展。正時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、齒輪材質分析、齒輪加工質量分析、承載能力計算以及同類型柴油機齒輪系檢查等五個方面開展分析。

3.1 凸輪軸齒輪斷口分析

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

在體視顯微鏡下對1#齒斷口進行觀察，數(shù)得疲勞弧線共計20條，見圖6。疲勞起源于輪齒反面（與水泵中間齒輪的傳動嚙合面）一側的齒根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 凸輪軸齒輪材質分析

凸輪軸齒輪化學成分與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。采用顯微硬度法對齒輪輪齒的有效硬化層深度進行測量，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標準要求。

3.3 凸輪軸齒輪加工質量分析

該臺柴油機正時齒輪系解體前，齒輪嚙合間隙與竄動量，及水泵中間齒輪齒頂晃動量經檢查未見異常。

對凸輪軸齒輪齒廓進行計量，見圖8所示，未見明顯異常。

對凸輪軸齒輪齒廓形狀進行觀察，見圖9所示，齒根R尺寸經測量為1.31mm，符合ISO 53： 1998標準中的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為5-6級，標準規(guī)定，凸輪軸齒輪的接觸斑點長度應占齒寬的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。

綜上，凸輪軸齒輪加工質量與此次齒輪斷裂無關，與異常偏載受力有關。

3.4 齒輪承載能力分析

對柴油機正時齒輪系承載能力進行研究分析，按主要失效形式進行必要的校核計算，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算方法，齒面接觸強度和齒根彎曲疲勞強度安全系數(shù)，見表2;齒輪各載荷系數(shù)：動載荷系數(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度以及彎曲疲勞強度均符合設計要求。凸輪軸齒輪載荷計算結果表明，齒輪嚙合異常，凸輪軸齒輪易發(fā)生偏載現(xiàn)象。

3.5 同類型齒輪運行檢查情況

根據(jù)本次事件的反饋，對核電廠剩下的7臺同類型柴油機齒輪系進行檢查，未發(fā)現(xiàn)同類型問題，且凸輪軸齒輪齒面嚙合情況良好。該型號柴油機廠家反饋同類型齒輪運行多年未發(fā)生同類型問題。

4? 分析與討論

對應急柴油機正時齒輪系的各齒輪的輪齒嚙合損傷進行觀察，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，造成輪齒內側的接觸應力大于外側， 1#齒裂紋起源于靠內側，因此，1#齒裂紋萌生主要與偏載有關。

根據(jù)齒輪承載能力計算結果，凸輪軸齒輪/水泵中間齒輪嚙合時載荷較小，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、設計、制造共模缺陷。結合同類型應急柴油機正時齒輪系嚙合檢查情況，分析認為，應急柴油機調試或運行初期異物意外進入齒輪非正常嚙合，造成凸輪軸齒輪嚙合偏載，凸輪軸齒輪齒面內側接觸應力過大，長期運行導致齒根疲勞裂紋及斷裂。

5? 結論

應急柴油機調試或運行初期異物意外進入正時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，疲勞裂紋產生于嚙合面偏載處，最終擴展導致輪齒斷裂，又進一步造成齒輪系的其它齒輪二次損傷。

參考文獻：

[1]熊小龍，蓋文.某型柴油機齒輪故障原因分析[J].柴油機，2019，6：59-61.

[2]GB3480-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法.成大先. 機械設計手冊，第一篇[M].北京：化學工業(yè)出版社：2004：143.

[3]朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].二版.北京：化學工業(yè)出版社，2010：143-147.