减速机齿轮轴的断裂失效分析

张 杰 张世旭 赵旭东

烟台宝钢钢管有限责任公司

减速机齿轮轴的断裂失效分析

张 杰 张世旭 赵旭东

烟台宝钢钢管有限责任公司

减速机齿轮轴在安装调试中发生异常开裂，经宏观观察、扫描电镜及光学显微镜分析后发现，齿轮轴局部出现扭转变形，开裂面扩展方向与轴向呈45°，齿尖处裂纹尾端组织有冷形变特征。这些特征说明齿轮轴开裂是安装不当出现过载导致的。调试过程中，齿轮轴因运转受阻出现过载，当过载超过其许用应力时，齿轮轴开始发生少许变形，进而在应力集中部位开裂，并沿与轴向呈45°方向扩展从而导致失效。

减速机；疲劳断裂；失效分析

齿轮减速器广泛用于矿山、冶金、石油、化工、电力、建材、水利、环保、国防等国民经济各个领域。它的主要传动零件是齿轮、轴、轴承，三者之间相互联系相互影响，随着时间的推移，三者中任何一零件的失效，将引起其他零件的失效，从而降低减速器使用性能，缩短整机寿命。因此对传动零件引起的其他零件的失效进行研究，分析产生的原因，采取有效措施并加以改进显得十分重要。

1 失效原因分析

1.1 轴的失效

在附加载荷作用下，轴的挠度和扭转角增大，将引起弯曲应力和扭转应力增加，加快轴的疲劳失效，随着时间的推移，造成轴的弯曲和扭转变形。同时，轴颈和轴承内圈形成边缘接触式运转，接触面积减小，加快轴颈的磨损。

1.2 轴承引起的失效

齿轮减速器使用的轴承为滚动轴承，主要失效形式有疲劳点蚀、磨损和塑性变形。疲劳点蚀是滚动体和内外圈接触处受脉动循环应力的作用产生的；磨损是滚动体和内外圈相互摩擦运动、点蚀剥落下来的金属微粒进入摩擦表面、润滑不良等原因造成的；塑性变形是轴承受过载或过大的冲击载荷，使轴承元件永久变形产生的。

1.3 断口原因分析

带式输送机使用中，用来输送物料，物料从料斗中掉落在带式输送上，所以带式输送机载荷一直是在变化的，同时带式输送机因工作需要随时停止和启动， 存在重载启动现象。经现场人员调查测量，现场其他同批带式输送机安装存在问题，驱动轴安装同心度存在超差。结合试验，该高速轴工作时除受到扭力外，还受到由于安装不同心造成的较大旋转弯曲力，同时存在重载启动现象。致使该轴受到较大的额外应力，在表面过早产生疲劳裂纹源，随着时间的推移，该轴在工作中受到不断变化载荷影响，疲劳裂纹不断扩大，直至最终断裂。

2 系统性分析

2.1 常规分析

引起齿轮碎裂和轴断裂的常见原因有齿轮及轴设计不合理、强度不够、加工质量存在缺陷、材料选用不当或热处理质量不合格等，一般情况下齿轮碎裂后不会引起轴断裂，而如果轴断裂后，齿轮传动失去束缚，往往导致齿轮碎裂，所以初步判轴因某种原因先发生断裂，轴断裂后齿轮传动一端失去束缚，传动过程中发生跳动磕打导致齿轮碎裂。

2.2 逐项排查

(1)设计因素。该产品是成熟设计，之前未发生过类似问题，且厂内相同产品在使用5年内没有发生过类似故障，排除设计缺陷问题。(2)加工精度。对齿形、齿侧间隙等进行测量，测量结果显示齿轮加工精度满足标准要求。(3)润滑质量。对齿轮箱内润滑油进行油质检测，除油质内含有齿轮碎裂金属物质外，油质符合标准要求。(4)装配质量。拆除齿轮箱输入、输出联轴节，对齿轮输入、输出轴进行手盘检验，齿轮转动平滑，无任何滞涩现象，排除齿轮箱因装配精度、轴承等问题发生齿轮断裂。(5)金相检查。测量齿轮表面、心部硬度并进行金相分析，排除热处理质量问题导致齿轮碎裂。(6)驱动皮带张力检查。发现皮带安装过紧，皮带张力超过安装要求。

2.3 皮带张紧力

虽然皮带张紧力超出允许值，但皮带张紧力主要由轴承支承受力，齿轮轴断轴部位在两支承轴承内，可以排除皮带张紧力因素。

3 分析与讨论

分析可知，齿轮轴材质符合要求，原材料中虽有1.5级硫化物夹杂，但符合技术要求。齿轮轴经渗碳淬火回火后，有效硬化层深度符合要求，且硬度梯度较好。齿轮轴表面组织为针状马氏体和残留奥氏体，组织有回火不足现象，残留奥氏体含量较多。适量的残留奥氏体能提高渗层的韧度和接触疲劳强度，改善啮合条件，扩大接触面积，但残留奥氏体过量，常会伴随马氏体针状组织粗大，导致表层硬度下降，耐磨性降低。由于残留奥氏体为不稳定组织，易导致零件尺寸发生变化，增大畸变量。残留奥氏体转变的马氏体量虽少，但却会使钢的脆性明显增大。对不同承载能力的渗碳件，残留奥氏体应有一个最佳范围，通常认为残留奥氏体量在20%(体积分数)以下是允许的。

齿轮轴经热处理后残留奥氏体含量大于30%，造成齿轮轴畸变增大，在校直433齿轮轴时发现多根齿轮轴畸变量较大，超过了0.50mm(热处理后轴类零件的畸变量通常在0.30mm左右)。校直工序采用全自动冷校直方式，在校直较大畸变量时，需要增加校直次数，齿轮轴在校直过程中反复受力，造成较大的应力集中，当应力超过一定值时，造成齿轮轴脆性断裂。

由于齿轮轴热处理后畸变量较大，反复校直过程中导致应力过大，造成断裂。建议优化433齿轮轴的热处理工艺，适当延长回火时间，控制齿轮轴热处理后的畸变量。将现有畸变量较大的齿轮轴采用热校直的方式进行校直，减小应力集中，避免断裂。

结语

在实际生产中，齿轮减速器传动零件相互引起的失效不是独立出现的，而是多种失效同时存在于工作过程。因此减速器使用过程中，要加强工作人员的责任心，严格落实减速器操作、使用维修等制度，对发现的问题和出现的失效现象按照不同种类认真分析和判断，找出失效产生的主要原因并及时排除和进行维护，这样不仅能延长减速器传动零件的使用寿命，而且也能提高生产效率，保障安全生产，创造经济价值。

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