工程機械變速箱軸常見失效分析

摘要：軸是機械設備中常見的零部件，是工程機械變速箱必不可少的重要零件，其作用是支承轉動零件，使轉動零件具有確定的工作位置，并承擔著支撐、定位、傳遞運動和動力等重要功能。然而，在使用過程中，軸可能會出現各種失效損壞形式，造成機器停機影響客戶生產，嚴重影響工程機械的安全性和工作效率。筆者通過介紹軸的主要失效形式，并提供相應的防范和預防損壞措施方法。

關鍵詞：變速箱軸彎曲扭轉過載損壞疲勞損壞

中圖分類號：TU60

CommonFailureAnalysisofTransmissionShaftsinConstructionMachinery

LIYong1XUEWenling2

LiuzhouNO.2VocationalSchool，Liuzhou，GuangxiZhuangAutonomousRegion，545005China

Abstract：Shaftisacommoncomponentinmechanicalequipmentandanessentialpartofconstructionmachinerygearboxes.Itsfunctionistosupportrotatingparts，enablingthemto haveadeterminedworkingpositionandbearingimportantfunctionssuchassupport，positioning，transmissionofmotionandpower.However，intheprocessofuse，theshaftmayexperiencevariousformsoffailureanddamage，causingmachineshutdownandaffectingcustomerproduction，seriouslyaffectingthesafetyandefficiencyofconstructionmachinery.Theauthorintroducesthemainformsofshaftfailureandprovidescorrespondingpreventionanddamagepreventionmeasures.

KeyWords：Transmissionshaft;Flexiontorsion;Overloaddamage;Fatiguedamage

1軸的失效形式

由于軸的材質、功能、承載情況不同，以及工作環(huán)境、工況及操作者的差異，可能產生不同的失效形式。本文主要從過載損壞或疲勞損壞的原因分析，不同軸失效特征的情況，對今后分析故障問題會有一定的幫助。

1.1過載損壞

主要是由于承受大載荷或沖擊載荷會引起過量變形、斷裂，嚴重造成變速箱內部卡滯，或由于其他事故導致軸過載損壞[1]。

1.1.1彎曲

特征為斷裂表面邊緣區(qū)域呈細小的木紋狀（表面淬硬層）。在該區(qū)域下方，表面是粗糙和有條紋的。原始的斷裂是很難確定的。典型的彎曲過載故障實際中很少出現，故障經常出現以上多種特征現象。過載導致彎曲故障的原因是過載，例如由于咬、彎曲過載斷裂、傳動系統的其他部件故障（輸入或輸出末端）、意外事故、操作失誤或功能性錯誤的原因造成。

1.1.2扭轉

（1）特征。纖維狀斷裂的表面是粗糙的，通常為纖維狀的（纖維狀斷裂）。在邊緣區(qū)域（表面淬火層）的斷裂結構是精細的。當軸發(fā)生了扭轉過載故障，斷裂通常采取螺旋的方式。斷裂紋路為從軸的中心線偏移45°。

（2）原因。過載、傳動系統的其他部件故障（輸入或輸出末端）、意外事故、操作失誤、功能性錯誤。

（3）措施。在售后服務處進行檢查，檢查齒輪、軸上的軸承和殼體。

1.2軸頸

1.2.1磨損

（1）特征。外部因素（里程大/工作小時長、油質差）可導致軸承滾道的材料磨損。這些可以是客戶投訴（如噪聲）的問題。正因磨損的發(fā)展、顯現，材料上淺暗色的區(qū)域通常被定義為“灰度沾色”。

（2）原因。操作的影響、高速結合負荷減少、高負荷、里程大、累計工作小時長、油質量、微粒污染、熱老化或不按照說明書規(guī)范保養(yǎng)[2]。

（3）措施。在售后服務處進行檢查，不重復使用軸、檢查其他軸頸和齒輪的滾道接觸面。

1.2.2剝落、點蝕、疲勞

（1）特征。材料碎片折斷，點蝕不斷增加。材料脫離的碎片被壓縮（滾壓），導致局部過載。當達到晚期階段，整個承載區(qū)域受到材料脫落的影響（剝落、點蝕）。這種破壞模式正是磨損的晚期階段。

（2）原因。剝落、點蝕和疲勞：可能是由于操作的影響、高速時結合負荷減少、高負荷、里程大或累計工作小時長、油質量、污染、熱老化、不按照說明書規(guī)范保養(yǎng)。

（3）措施。在售后服務處進行檢查，不重復使用軸、檢查軸滾道、齒輪、油品及保養(yǎng)情況。

1.2.3過度滾壓材料

（1）特征。過度滾壓材料是指粒子滾進材料里面、上面或其他留下來的痕跡，其中一些可以清楚地感覺到和肉眼可以看見的[3]。過度滾壓材料通常是異物、粒子或剝落。這些會導致噪音或齒輪的刻痕。

（2）原因。雜質異物進入油中的顆粒粉塵、微粒、剝落。

（3）措施。在售后服務處進行檢查，不重復使用軸、檢查軸頸和齒輪上的滾道、檢查其他傳動部件損壞。

1.2.4細微壓痕

（1）特征。細微的壓痕是壓痕和磨損的組合。滾道表面是明亮光滑的，但顯示標志為連續(xù)的凹痕（壓痕）。滾道表面的粗糙度<0.2mm。

（2）原因。細微壓痕產生的原因可能是振動、車輛的往復負荷，如高速檔駕駛時以較低的行駛速度、曲軸上的減震器有缺陷、傳動軸不平衡、跟發(fā)動機有關的因素，如錯誤地設置高壓油泵[4]。

（3）措施。在售后服務處進行檢查，不重復使用軸、檢查其他傳動部件損壞。

1.2.5軸頸侵蝕

（1）特征。在實際應用中，滾針軸承只有很小的摩擦系數，因此只需要很少的油進行潤滑和冷卻。如果很高的差動速度結合為高速均勻的旋轉（例如拖車時），滾子與滾道的接觸處可能產生大部分的滑動。如果滾針軸承的冷卻和潤滑不再充足，這可能導致過熱和造成軸承的侵蝕磨損或者咬死。

（2）原因。潤滑油受到熱老化、不按照說明書規(guī)范保養(yǎng)、油不足或不正確的潤滑劑，拖車時傳動軸法蘭沒有斷開連接（很高差速度）、發(fā)動機相關因素，如錯誤設置高壓油泵。

（3）措施。對售后服務處進行檢查。

1.2.6側面磨損（磨蝕）

（1）特征。最初的磨蝕是黑色或紅棕色的。當缺少潤滑劑供應加劇時，在短時間內會出現這種磨損現象。如果是因為缺乏潤滑劑加重磨損，就會導致堆積成褐色漿狀的沉積物和薄膜狀的或透明的沉積物。這些會造成不良的摩擦問題，并且可以使軸損傷達到頂峰。

（2）原因。側面磨損（接觸腐蝕）的原因有：車輛的往復負荷振動，如高速擋駕駛時以較低的行駛速度；曲軸上的減震器有缺陷；傳動軸不平衡；跟發(fā)動機有關的因素，如錯誤地設置高壓油泵，潤滑油沒有按照ZF說明書規(guī)定使用、不恰當或不正確的潤滑。

（3）措施。在售后服務方面進行檢查，不重復使用軸，檢查零件側面配合情況，確保零件潤滑是可以的。

2案例分析

案例一：某裝載機上的BP230變速箱泵軸斷裂問題分析。

2.1故障描述

客戶反饋交車的當晚司機工作時（整車工作時間9h），突然聽到一聲異響后就出現整車無轉向和工作液壓系統無動作，但行走正常。維修人員現場檢查，確定故障屬實?，F場進行拆檢，拆檢工作泵，工作泵正常，拆檢轉向泵，發(fā)現轉向泵與工作泵的連接處有鐵屑及銅屑，轉向泵軸卡死無法轉動，啟動車觀察變速箱取力軸，發(fā)現取力軸在轉動，發(fā)動機熄火后用手仍然可以轉動變速箱取力軸[5]。

2.2失效情況綜述

售后送檢4BP-230箱失效零件4681354001泵軸1件，故障箱信息詳見送檢單2020052，失效形態(tài)如附圖，斷口已完全磨損。

上緊彈性板在變矩器上的4顆螺栓被拆過，泵軸已斷成兩端。一段在斷在變矩器的花鍵內。泵軸的材料和熱處理檢測合格。泵軸上的軸承正常轉動，無卡滯現象。

2.3材料檢驗

2.3.1化學成分

材料所含化學成分具體如表1所示。

由表1可知：圖紙要求材料為ZF7B，實測值符合圖紙要求。

2.3.2滲碳淬火各項技術指標

（1）表面硬度（HRC）。

理論值：要求軸部外圓的表面硬度在81～83HRC之間。

實測值：實際測得的表面硬度為82HRC，符合理論要求。

（2）心部強度（HBW）。

理論值：心部強度需要達到或超過900N/mm2。

實測值：實測心部強度為995N/mm2，超出了最低理論要求。

（3）有效硬化層深度（mmEHT）。

理論值：有效硬化層深度應在0.4～0.7mm之間。

實測值：實測值為0.68mm，接近理論值的上限，但仍在要求范圍內。

（4）殘余奧氏體（%）。

理論值：殘余奧氏體的比例應該小于或等于30%。

實測值：實測值為3%，遠低于理論上限，顯示了優(yōu)良的材料性能。

（5）滲碳體（%）。

理論值：滲碳體的比例應為0%。

實測值：實測值也為0%，完全符合理論要求。

（6）心部鐵素體（%）。

理論值：心部鐵素體的比例應小于或等于5%。

實測值：實測值為0%，表明心部鐵素體的比例非常低，優(yōu)于理論要求。

實測值在所有指標上都達到或超過了理論值的要求，顯示了軸部外圓材料的優(yōu)良性能和質量。特別是在殘余奧氏體、滲碳體以及心部鐵素體的控制上，實測結果顯示出比理論要求更好的性能，這會對材料的使用壽命和可靠性產生積極影響。

2.3.3顯微組織

試樣由表及里的組織為殘余奧氏體+針狀馬氏體、針狀馬氏體+板條馬氏體（即混合馬氏體）、板條馬氏體。零件由表及里的組織符合滲碳淬火零件的組織[6]。

3結語

工程機械變速箱上的軸失效及損壞的原因多種多樣。取力處連接軸斷裂，在低速大扭矩的長期作用下，存在疲勞斷裂或過載損壞的可能，最終導致輸出軸花鍵末端發(fā)生斷裂。這也反映出車輛長期過載使用，會對軸的壽命產生較大的負面影響。了解了變速箱軸失效的相關知識，對判斷失效零件分析、變速箱內部故障分析會有比較大的幫助。由于導致軸失效的原因很多，判斷比較復雜，這就要求我們除了掌握更多的專業(yè)知識外，還須在實際的拆裝過程中能夠按照工藝安裝要求，正確安裝變速箱及外部取力零件，按時對機器進行操作、維護和保養(yǎng)，減少故障的發(fā)生。另外，在分析和處理失效時按照從易到難的順序，根據失效零件、放油異物準確地找出導致失效的根本原因，延長機器的使用壽命和提高機器的工作效率。

參考文獻

[1]毛晗.汽車變速箱故障診斷與維修[J].湖南文理學院學報（自然科學版），2022，34（2）：31-34.

[2]藍偉銘.WG系列工程機械變速箱測試系統的設計及應用[J].裝備制造技術，2022（7）：4-9.

[3]石國國，詹東安.基于工程機械整車動力傳動系統仿真的變速箱載荷譜編制方法研究[J].建筑機械，2022（4）：59-62.

[4]鄧杰武，李芬芳.工程機械變速箱殼體再制造修復研究及應用[J].裝備制造技術，2018（9）：134-137，157.

[5]陳素姣，明君劍.工程機械變速箱圓錐滾子軸承游隙的測量與調整分析[J].機械制造，2017，55（3）：64-67.

[6]李留柱.基于工程機械上液壓機械傳動的應用分析[J].現代制造技術與裝備，2019（4）：85-86.