離心式壓縮機(jī)齒輪斷裂原因分析與預(yù)防措施

□ 鄭博士 □ 馬小明 □ 鄭志軍 □ 閆莉丹

華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640

1 現(xiàn)場情況

離心式壓縮機(jī)作為重要的流體輸運(yùn)裝置,適用于輸送各類氣體,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、煉油、石化等領(lǐng)域[1]。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是離心式壓縮機(jī)的核心部件,并且是運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的重要組成部分。在周期交變載荷條件下,齒輪容易發(fā)生疲勞斷裂失效。齒輪疲勞斷裂主要包括齒面疲勞剝落、齒根彎曲疲勞,以及不同振動(dòng)形式的疲勞開裂[2-3]。齒輪的疲勞壽命直接影響離心式壓縮機(jī)的使用壽命[4],一旦齒輪系統(tǒng)發(fā)生故障,輕則影響生產(chǎn),重則造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

某鋼鐵廠一臺(tái)離心式壓縮機(jī)在投運(yùn)13個(gè)月后由于振動(dòng)異常導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),離心式壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)箱的兩個(gè)齒輪發(fā)生斷齒失效。這臺(tái)壓縮機(jī)為四級(jí)單程離心式壓縮機(jī),介質(zhì)為干燥氮?dú)?額定功率為9 300 kW,入口壓力為535 kPa,排氣壓力為2.73 MPa,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 485 r/min。離心式壓縮機(jī)安裝、維護(hù)、在線監(jiān)測記錄顯示,這臺(tái)離心式壓縮機(jī)在安裝維護(hù)過程中未發(fā)現(xiàn)異常。在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn),齒輪安裝后一段時(shí)間內(nèi)由于軸承間隙增大導(dǎo)致齒輪振動(dòng)增大。在排除問題后,離心式壓縮機(jī)正常使用,直到發(fā)生聯(lián)鎖停機(jī)。為分析齒輪斷裂的原因,防止類似事故重復(fù)發(fā)生,筆者進(jìn)行了失效分析,并提出預(yù)防措施。

2 材料理化檢驗(yàn)

齒輪系統(tǒng)是影響離心式壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵,通過齒輪間的耦合作用,使離心式壓縮機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子成為相互影響、相互制約的整體[5]。發(fā)生斷齒失效的齒輪如圖1所示,失效齒輪為離心式壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)從動(dòng)齒輪。

2.1 斷口宏觀形貌

斷齒失效的兩個(gè)齒輪存在差異,齒輪宏觀形貌如圖2所示。1號(hào)從動(dòng)齒輪的52個(gè)齒,齒中部均發(fā)生不同程度的斷齒,斷齒長度范圍為15～37 mm,大部分?jǐn)帻X斷口較大且不平。部分?jǐn)帻X從齒面中部開始斷裂,齒根處存在明顯的擠壓痕跡,疑為先斷的齒脫落的金屬碎屑被擠壓所致。20號(hào)齒斷裂位置在齒根過渡圓角處,過渡圓角處由于幾何形狀突變,造成一定程度的應(yīng)力集中[6]。斷裂由工作面根部向另一側(cè)擴(kuò)展,呈現(xiàn)挖根狀輪廓[7]。斷口表面較平坦,存在明顯的裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū),并且表面可見疲勞貝紋線,由此判定20號(hào)齒最先發(fā)生了齒根彎曲疲勞斷裂。2號(hào)從動(dòng)齒輪共有40個(gè)齒,其中6個(gè)齒發(fā)生斷裂,斷齒長度范圍為25～130 mm。未斷齒中間位置的齒頂和齒根均存在不同程度被擠壓磨損變形的情況。齒頂?shù)哪Σ梁圹E寬度約為15 mm,齒頂受到擠壓變窄,齒根受到擠壓后部分區(qū)域發(fā)生凹陷,齒面硬化層翹起。40號(hào)齒斷面存在可見的表面剝蝕坑。

▲圖1 斷齒失效齒輪

2.2 斷口微觀形貌

采用丙酮溶液超聲清洗斷齒失效齒輪的斷口樣品,干燥后置于掃描電子顯微鏡下,觀察齒輪斷口微觀形貌,如圖3、圖4所示。由圖3可見,1號(hào)從動(dòng)齒輪20號(hào)齒斷口積聚在齒根應(yīng)力集中位置的痕跡致密,表明該位置為裂紋源區(qū)。在斷口存在疲勞臺(tái)階和局部擴(kuò)展痕跡,進(jìn)一步表明1號(hào)從動(dòng)齒輪20號(hào)齒在齒根處發(fā)生了彎曲疲勞斷裂。由圖4可見,2號(hào)從動(dòng)齒輪6號(hào)齒斷口較大,有明顯的撕裂特征,斷口邊緣區(qū)域存在表面點(diǎn)蝕坑;在瞬斷區(qū)可見河流花樣形貌,表明這一區(qū)域具有脆性斷裂特征。

▲圖2 斷齒失效齒輪宏觀形貌

2.3 化學(xué)成分

通過采用Optik-01L0017型直讀光譜儀和QL-HW2000B型高頻紅外碳硫分析儀對(duì)兩個(gè)斷齒失效齒輪樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表1。由表1可知,兩個(gè)斷齒失效齒輪的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中40CrNi2Mo合金結(jié)構(gòu)鋼的要求[8]。

▲圖3 1號(hào)從動(dòng)齒輪20號(hào)齒斷口微觀形貌

▲圖4 2號(hào)從動(dòng)齒輪6號(hào)齒斷口微觀形貌

表1 斷齒失效齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果

2.4 金相組織

兩個(gè)斷齒失效齒輪的熱處理工藝為850 ℃淬火后經(jīng)600 ℃回火,再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。分別在兩個(gè)斷齒失效齒輪的心部和邊緣制取金相試樣,金相組織如圖5所示。圖5顯示,兩個(gè)斷齒失效齒輪主要金相組織為回火索氏體,齒輪邊緣位置晶粒不均勻,且存在明顯偏析;偏析帶組織為回火托氏體,碳含量相比正常組織偏高,導(dǎo)致硬度偏高;同時(shí)帶狀組織影響了材料的均勻連續(xù)性,使齒輪的性能產(chǎn)生明顯的各向異性[9],造成材料的塑性、韌性降低。比較同一斷齒失效齒輪的心部和邊緣金相組織,可見齒輪心部偏析相比齒輪邊緣更嚴(yán)重。相比2號(hào)從動(dòng)齒輪,1號(hào)從動(dòng)齒輪的偏析帶更為粗大、明顯,硬度差別更大,導(dǎo)致1號(hào)從動(dòng)齒輪的綜合力學(xué)性能低于2號(hào)從動(dòng)齒輪。

2.5 力學(xué)性能

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》要求[10],對(duì)斷齒失效齒輪母材分別制備拉伸、沖擊、扭轉(zhuǎn)、硬度試樣,進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試,力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。將表2數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015對(duì)40CrNi2Mo合金結(jié)構(gòu)鋼的要求對(duì)比,可知兩個(gè)斷齒失效齒輪試樣的拉伸試驗(yàn)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,塑性和韌性指標(biāo)也低于標(biāo)準(zhǔn)要求。測試結(jié)果表明,2號(hào)從動(dòng)齒輪的整體性能優(yōu)于1號(hào)從動(dòng)齒輪。

表2 斷齒失效齒輪力學(xué)性能測試結(jié)果

對(duì)兩個(gè)斷齒失效齒輪沖擊試樣斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察,如圖6所示。由圖6可見,1號(hào)從動(dòng)齒輪的沖擊試樣斷口形貌為韌窩與扇形花樣形貌相間分布,2號(hào)從動(dòng)齒輪的沖擊試樣斷口僅有韌窩形貌,說明1號(hào)從動(dòng)齒輪存在組織分布不均勻問題,導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻。

對(duì)兩個(gè)斷齒失效齒輪軸橫截面進(jìn)行硬度測試,以齒輪軸截面幾何中心為原點(diǎn),向外成散射狀選取硬度測試點(diǎn),測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,1號(hào)從動(dòng)齒輪軸橫截面布氏硬度(HB)在251～360之間,2號(hào)從動(dòng)齒輪軸橫截面布氏硬度(HB)在276～361之間,兩個(gè)斷齒失效齒輪的硬度均呈現(xiàn)從中間向邊緣逐漸提高的趨勢,并且局部硬度不均勻。齒輪心部硬度過低,易使心部產(chǎn)生塑性變形,進(jìn)而使齒輪表面硬化層抗剝落性能及齒根抗疲勞性能降低。齒輪心部硬度過高,會(huì)降低齒輪的抗彎曲性能[11-12]。由測試結(jié)果可知,除硬化層外,兩個(gè)斷齒失效齒輪的硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求,齒輪抗彎曲性能較低,容易發(fā)生齒根彎曲疲勞斷裂。

▲圖5 斷齒失效齒輪金相組織

▲圖6 斷齒失效齒輪沖擊試樣斷口形貌

3 斷裂原因綜合分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知,這一離心式壓縮機(jī)齒輪斷口具有齒根彎曲疲勞斷裂特征。1號(hào)從動(dòng)齒輪20號(hào)齒齒根過渡圓角處在長期交變應(yīng)力的作用下,工作面一側(cè)產(chǎn)生裂紋。由于齒輪材料自身存在組織缺陷,塑性韌性差、硬度偏高,齒輪的抗彎曲性能較差,促使裂紋萌生和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪斷裂。在20號(hào)齒發(fā)生斷裂后,產(chǎn)生的金屬碎屑隨著齒輪傳動(dòng)在其它齒輪上發(fā)生磨損和擠壓,使1號(hào)從動(dòng)齒輪的其它齒發(fā)生斷裂。同時(shí)部分碎屑附著在主動(dòng)齒輪上,在主動(dòng)齒輪與2號(hào)從動(dòng)齒輪的嚙合過程中使2號(hào)從動(dòng)齒輪磨損,導(dǎo)致2號(hào)從動(dòng)齒輪斷裂。與兩個(gè)從動(dòng)齒輪相比,主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速較低,因此在聯(lián)鎖停機(jī)之前未發(fā)生斷齒,但是存在明顯的擠壓痕跡。

4 預(yù)防措施

筆者通過對(duì)斷齒失效齒輪進(jìn)行宏微觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相組織觀察、力學(xué)性能檢驗(yàn),得到以下結(jié)論:斷齒失效齒輪發(fā)生了齒根彎曲疲勞斷裂,裂紋起源于1號(hào)從動(dòng)齒輪20號(hào)齒齒根過渡圓角處;在長期交變應(yīng)力作用下,齒根工作面一側(cè)萌生微裂紋;明顯的偏析帶回火托氏體和大小不均勻的晶粒促使裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致齒輪發(fā)生斷裂。

為防止類似事故再次發(fā)生,提出預(yù)防措施。應(yīng)優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選取最合適的齒根圓角半徑,優(yōu)化表面硬化處理工藝。嚴(yán)格控制齒輪的熱處理工藝,確保材料的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。嚴(yán)格控制齒輪的加工工藝,確保齒輪表面和過渡圓角處的表面粗糙度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)加強(qiáng)表面質(zhì)量檢驗(yàn),加強(qiáng)在線狀態(tài)監(jiān)控,嚴(yán)格執(zhí)行檢修程序,提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷,并采取預(yù)防性措施。

▲圖7 斷齒失效齒輪硬度測試結(jié)果

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