齿轮轴失效分析论文

齿轮轴失效分析论文（精选9篇）

齿轮轴失效分析论文 第1篇

刮板输送机是煤矿井下的主要运输设备,是采煤机的运行轨道和液压支架的推移点,它的可靠运行是工作面相关设备正常工作的关键。刮板输送机中传动装置由电机、联轴器和减速器组成,煤矿井下工况复杂,减速器出现故障后拆装、检修极不方便,如何降低减速器的故障率是当今机械化采煤的一个重要问题, 减速器能否可靠、稳定的运行将直接影响矿井的生产能力和煤矿企业的经济效益。

1问题描述

某矿工作面配套的SGZ764/400型刮板输送机中JS200型减速器使用不到半年出现故障,导致设备停机。通过拆箱检修,发现第三轴中的轴直齿轮出现断齿,甚至有的整个齿全部剃掉,如图1所示。由于该减速器使用时间较短,并有多台减速器出现类似问题,因此对该齿轮轴进行失效分析是非常有必要的。

2原因分析

该齿轮轴结构如图2所示,材料采用20CrMnTi,齿面渗碳淬火处理,表面硬度为HRC58~HRC62,心部为HRC38~ HRC42,通过表面打硬度,表面硬度HRC61,符合设计要求;通过弯曲和接触强度分析,在使用系数为1.5时,该齿轮的接触、弯曲系数均满足要求。经过分析判断,可能是加工中某一工艺环节出了问题,该齿轮轴加工工艺流程如图3所示。

通过进一步分析齿轮轴图纸、工艺卡片,认为可能存在问题的环节如下。

2.1锻造

齿轮轴类零件结构比较特殊,中间部分为齿轮,两端为轴,锻造时应特别注意工艺要求,这种结构应该中间镦粗,两头拔长,这样才能使得金属的纤维方向与齿轮受力相匹配。锻造加热时若加热时间较短,外部温度达到要求而内部温度还不够,很容易造成内部缺陷, 影响齿轮质量,从而导致断齿。由于各锻件厂家的生产水平参差不齐,缺乏必要的检测手段,因此这一环节更应严格参照工艺要求进行。

2.2热处理

参考齿轮热处理工艺卡片,发现粗车后没有进行二次回火,同时渗碳淬火后回火时间应该长,否则淬火应力释放不彻底,过高的内应力会产生应力微裂纹,是疲劳断裂的起源点。建议淬火温度由860 ℃改为810 ℃,回火时间由6h延长到10h,同样该环节也应加强检测手段。

2.3齿面粗糙度

煤矿用齿轮标准要求重载齿轮精度等级为6级, 粗糙度要求不能见刀痕。从断齿的齿轮齿面的刀痕可看出,该齿轮没有进行磨齿,加工粗糙度不够,当刀痕明显时会产生应力集中,极大地影响齿轮齿面的接触强度和根部弯曲应力分布情况。当载荷较大时,会使齿面产生点蚀,周而复始,造成齿轮失效。像这种重载齿轮,特别是第三级齿轮,受到的载荷比前两级大很多,所以更应该注重齿轮齿面质量。

3改进及建议

3.1材料

该齿轮轴材料为20CrMnTi,其材料强度较高,是常用的齿轮材料,经过渗碳淬火处理后,表面硬度HRC58~HRC62,心部HRC38~HRC42。由于刮板输送机工况复杂,齿轮轴结构特殊,对材料力学性能要求高,但是该材料韧性较差,当冲击载荷较大时,很容易出现断齿,目前国外有些同类减速器采用17CrNiMo6,下面对这两种材料进行化学成分、力学性能和热处理性能比较。

3.1.1化学成分

表1为两种材料的化学成分。通过比较两种材料所含元素发现:17CrNiMo6与20CrMnTi相比C的质量分数低0.03%,Cr、Ni高0.02%左右,其他元素区别不大。

%

3.1.2力学性能

表2为两种材料的力学性能。通过比较两种材料的力学性能发现:17CrNiMo6抗拉强度要比20CrMnTi高100 MPa以上。

3.1.3淬透性

淬火是使钢强化的基本手段之一,将钢淬火成马氏体,随后回火以提高韧性,是使钢获得高综合机械性能的传统方法。通过分析比较20CrMnTi、17CrNiMo6的淬透性,在同等淬火距离下,17CrNiMo6更容易达到所需硬度,热处理过程更容易控制。

鉴于以上分析,17CrNiMo6更适用于齿轮轴材料。

3.2齿形

该齿轮轴齿数为17,采用了较大的变位系数,采用正变位是一种配凑中心距及改善齿根弯曲应力的方法。由于刮板输送机频繁启动,冲击载荷大,因此很有必要通过齿形设计来提高齿轮的弯曲强度和接触强度。很多研究表明:适当地增大压力角会显著提高齿根弯曲强度和齿面接触强度、改善齿面润滑和抗胶合承载能力,是一种非常有效的提高齿轮轮齿综合性能的方法。现如今比较流行的还有齿轮修形,通过齿轮齿向和齿阔修形可以减小齿轮齿面的接触应力,避免因齿轮接触应力过大导致齿面点蚀,进而造成齿轮失效。

4总结

针对刮板输送机减速器齿轮轴断齿问题,通过现场拆箱检修及加工过程跟踪,从齿轮生产过程可能出现问题的环节逐一分析,得到锻造、热处理和滚齿是最可能出现问题的环节,强调加强生产制造环节检测手段的重要性。同时建议针对特殊应用场合的减速器从设计层面对齿轮材料和齿形进行改进。这种齿轮失效分析方法及建议对其他减速器同样具有参考意义。

摘要：针对SGZ 764/400型刮板输送机用减速器齿轮轴的失效问题,分析了齿轮轴从材料到加工可能出现的问题,指出了齿轮失效是由于材料和生产过程中某一环节没有严格按照工艺标准要求造成的,并提出了一些预防措施和改进意见。

齿轮传动的失效形式及设计准则 第2篇

齿轮传动就装置形式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆（如经整体淬火、齿面硬度较高的钢齿轮或铸铁齿轮）或较韧（如经调质、常化的优质钢材及合金钢齿轮），齿面有较硬（轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并称为硬齿面齿轮）或较软（轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并称为软齿面齿轮）的差别等，由于上述条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。一般地说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又是多种多样的，这里只就较为常见的轮齿折断和工作面磨损、点蚀,胶合及塑性变形等略作介绍，其余的轮齿失效形式请参看有关标准。至于齿轮的其它部分（如齿圈、轮辐、轮毂等），除了对齿轮的质量大小需加严格限制外，通常只需按经验设计，所定的尺寸对强度及刚度均较富裕，实践中也极少失效。

1.轮齿折断

轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断（见图1 图2 图3）。 此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。 在斜齿圆柱齿轮（简称斜齿轮）传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线（参看），轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。

图1图2图3

若制造或安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮（简称直齿轮），也会发生局部折断。

为了提高齿轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。

2.齿面磨损

在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现不同的磨损形式。例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，齿面即被逐渐磨损而至报废。这种磨损称为磨粒磨损（见图1 图2 图3 ）。它是开式齿轮传动的主要形式之一。改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法。

3.齿面点蚀

点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。所谓点蚀就是齿面材料变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象（见图1 图2 图3）。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。 齿轮在啮合过程中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对滑动速度愈高，愈易在齿面间形成油膜，润滑也就愈好。当轮齿在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其它部位扩展。

从相对意义上说，也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低）。 提高齿轮材料的硬度，可以增强齿轮抗点蚀的能力。在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀，延长齿轮的工作寿命。并且在合理的限度内，润滑油的粘度越高，上述效果也愈好。因为当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会侵入裂纹，而且粘度愈低的油，愈易侵入裂纹。润滑油侵入裂纹后，在轮齿啮合时，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展，这是不利之处，

所以对速度不高的齿轮传动，以用粘度高一点的油来润滑为宜；对速度较高的齿轮传动（如圆周速度v>12m/s），要用喷油润滑（同时还起散热的作用），此时只宜用粘度低的油。开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。

4.齿面胶合

对于高速重载的齿轮传动（如航空发动机减速器的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬间温度高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对滑动，相粘结的部位即被撕破，于是在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，称为胶合，如图1 图2 图3中的轮齿部分所示。传动时齿面瞬时温度愈高、相对滑动速度愈大的地方，愈易发生胶合。

有些低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效。此时，齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。 加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油（如硫化油），在润滑油中加入极压添加剂等，均可防止或减轻齿面的胶合。

5.齿面塑性变形

塑性变形属于轮齿永久变形一大类的失效形式，它是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。 塑性变形又分为滚压塑变和锤击塑变。滚压塑变是由于啮合轮齿的相互滚压与滑动而引起的材料塑性流动所形成的。由于材料的塑性流 动方向和齿面上所受的摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处被碾出沟槽,而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。这种现象称为滚压塑变（见右图）。锤击塑变则是伴有过大的冲击而产生的塑性变形，它的特征是在齿面上出现浅的沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线相一致。 提高轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂 的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。

提高轮齿对上述几种失效形式的抵抗能力，除上面所说的办法外，还有减小齿面粗糙度值，适当选配主、从动齿轮的材料及硬度，进行适当的磨合（跑合），以及选用合适的润滑剂及润滑方法等。前已说明，轮齿的失效形式很多。除上述五种主要形式外，还可能出现齿面融化、齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产生的多种腐蚀和裂纹等等，可参看有关资料。

（二）设计准则

由上述分析可知，所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，针对上述各种工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。但是对于齿面磨损、塑性变形等，由于尚未建立起广为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据，所以目前设计的一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。对于高速大功率的齿轮传动（如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等），还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算（参阅GB6413－1986）。至于抵抗其它失效能力，目前虽然一般不进行计算，但应采取的措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。

由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮（如用20、20Cr钢经渗碳后淬火的齿轮）或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。

功率较大的传动，例如输入功率超过75kW的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算。

开式（半开式）齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但如前所述，对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式（半开式）齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。为了延长开式（半开式）齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。

前已述之，对于齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。

分析齿轮常见失效及其维修 第3篇

【摘 要】齿轮是机械设备中不可缺少的原件，在机械设备运行的过程中，齿轮常常会出现失效的现象。笔者通过本文对齿轮失效的原因进行了分析，并根据不同的原因提出了该如何对齿轮进行维修，降低齿轮失效发生的概率，增加企业效益。

【关键词】机械设备；齿轮；失效；维修

0.引言

齿轮是在机械设备中一种变速传动部件，机械设备不可缺少的部件。齿轮在运转过程中会出现失效现象，造成设备不能正常运行。在现代的机械设备中，齿轮的作用越来越大，据不完全统计，齿轮失效占各种机械故障的60%以上。因此，为了保证机械设备的正常运行，我们要对齿轮的失效原因进行分析，找到正确的维修办法，保证机器的正常运行。

1.齿轮失效的原因

1.1齿轮折断

轮齿折断的方式有三种，他们分别是过载折断、疲劳折断和随机折断，一般情况下直齿轮轮齿的折断是全齿轮折断，而斜齿轮和锥齿轮轮齿的折断则是局部折断。

1.1.1由于过载而折断

一般在齿轮折断的时候，会在他的折断面出现放射状或类似人字的放射区，一般放射区的方向与断裂的方向大致平行，放射中心即贝壳纹疲的断口。齿轮的过载折断主要是齿轮在短时间内承受的压力超过其本身所承受的的最大压力，超过一定的强度，造成齿轮的折断。发生过载折断的原因还有很多，比如说齿轮精度过低、齿面过于粗糙、材质有缺陷等。

1.1.2由于疲劳而折断

疲劳折断有自己独特的特点，其断口区可分为断裂源区、疲劳扩展区和瞬时折断区，轮齿疲劳的折断主要是由于一个齿轮承受多次重复的压力，尤其是受到弯曲的压力的时候，使得齿轮根部发生变形，超过了其承受的压力，造成齿轮的疲劳折断。随着压力的不断增加，在齿轮断裂出的裂纹也会随之增大，在一定的程度下，会造成瞬时的折断。

1.1.3随机性折断

齿轮轮齿的随机折断与齿轮的疲劳折断有一定的相似性，但是随机折断的断裂处的断口出与疲劳折断有着不同，它的截面存在过高残余应力的位置，轮齿的随机折断的原因一般不是受力作用产生的，而是由于轮齿材料的缺陷，点蚀以及剥落或其他应力在截面处产生的巨大压力，一次造成齿轮的随机折断。因此，在生产齿轮的过程时候应该采用良好的材料，首先保证齿轮的质量，生产之后，也要对齿轮进行随机的检查，这样做的目的能够进一步保证齿轮的质量。

1.2齿面的损坏

齿轮的齿面也会发生损坏，其损坏的形式包括齿面疲劳、胶合、磨损、塑性变形等。

1.2.1齿面疲劳

齿面疲劳是由于在齿轮的齿面上存在大量的剪应力，因此在大量应力的作用下会使得齿面产生一定的裂纹，随着压力的不断增加，会在断裂面继续断裂，造成齿轮的齿面损伤，由于齿轮的齿面本身状况以及材质的不同，齿面的疲劳损坏也会不同，每一种齿轮都有自己的特点。

1.2.2胶合

胶合是指两个不同的齿轮在一定的压力下会产生黏着的现象，随着齿轮不断的转动，会使得黏着现象越来越严重。交合的方式也有很多种，根据其不同的特点可以分为轻微胶合、中等胶合、破坏性胶合及局部胶合四种类型。

1.2.3磨损

磨损主要是在齿轮相互转动的时候，齿轮之间的相互摩擦，会造成齿轮表面造成由于摩擦而带来的损耗。磨损根据摩擦程度的不同可分为轻微磨损、中等磨损、过度磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。

1.2.4塑性变形

在齿轮正常的工作时，由于在摩擦力的作用下，齿轮面的压力过大，会使得齿轮出现一定的塑形变形，根据压力的不同以及塑形变形的程度和形状，塑性变形可分为碾击塑变、鳞皱、起脊、压痕，齿体塑变五种形式。

1.3其他一些原因

造成齿轮损失的原因好多，除了上述的两种失效方式外，由于材料缺陷，工艺不适以及意外事故等原因，齿轮也会由于损伤而造成其失效。在生产齿轮的时候由于生产工艺的不同，生产者技术的不同，都会造成齿轮在后期运转中的影响。目前通过遥控闭锁装置技术来解决齿轮操作过程中的产生的损坏，并且取得了明显的进步。

2.齿轮的维修方法

2.1调整换位法

调整换位法是变换磨损与为磨损的方位，然后利用没有磨损的齿面继续进行工作，这种方法只适用于单向转动的齿轮，单向齿轮单面磨损后能够使得转动机进行修复。

当齿轮受单向力的情况下，并且齿面是单面磨损能够运用调整换位法；调整换位法是最经济的一种方法，其修复方式是实现齿轮（或齿圈）的180°翻转。其他齿轮，例如圆锥齿轮或具有正反转的齿轮，一般不能采用此方法。

2.2变位切削法

变位切削法对受到磨损的一对齿轮进行切削，对大齿轮进行负位修整，从而去掉被磨损的部位，同是还需要一对新的小齿轮，这对小齿轮需要和大齿轮进行相配，才能够修复齿轮的性能。

此方法的适用受到一些条件的限制，比如适用于大传动比、大模数的齿轮传动的机械设备的齿轮，因为其齿轮超限而造成齿轮失效，其修复方法同上述描述的方法一样，就是是对大齿轮进行负变位切削，这样能够减少材料的损耗，同时减少修复的时间。

2.3堆焊修复法

堆焊修复法是通过对齿轮损坏的部位进行堆焊，进而填补其磨损的部位，在通过一些修复方法对齿轮进行加工来恢复其性能。齿轮堆焊一般步骤是：（1）焊前退火（2）焊前清洗（3）施焊（4）焊缝检查（5）焊后机械加工与热处理（6）精加工（7）检查修整。

2.4金属涂敷法

金属涂敷法是将金属粉末以及混合金属粉末涂敷到受损的齿轮齿面上，然后通过加热等工序的处理，这样能够使齿轮恢复到原来的尺寸，性能也能恢复。该法适用于各种齿轮的修复。随着科学技术的发展，金属涂敷发的技术不断进步，随着涂敷技术的发展，其修复的性能也越来越高。

2.5镶齿修复法

此方法主要适用于传动精度要求较高，并且受载不大的齿轮单个齿折断。如果齿轮的一些齿连续破坏，那么可以通过此方法进行解决。必要的时候，可以通过可镶、焊、铆等方法制作新的齿轮来替换所有轮齿。一般在实际的工程中，大多数的齿轮维修通过镶齿的方法进行维修，这样即方便又经济。

2.6真空扩散焊修法

真空扩散焊是利用表面的原子，在高温和显著的塑形变形的条件下来结合被磨损的齿面，使得齿面百年的紧密牢固。扩散焊接的最大特点是，它所使用的零件具有能够承载静载和交变负载下的高强度，所以基本不会受韩洁丽的影响而产生变形。

3.结语

本文通过对齿轮失效常见的原因进行了分析，提出了一些齿轮维修的方法。齿轮是机械设备的核心部件，它的运行效率以及设计水平关系到整个机械设备的正常运转。因此，要不断的研究齿轮的工作原理，保证齿轮的正常运转，才能保证企业的效益。

【参考文献】

[1]胡秀金.关于齿轮的失效及修理方法的探讨[J].科技信息（科学·教研），2008（15）.

风机齿轮箱齿轮失效分析 第4篇

齿轮常见的失效模式有疲劳断裂、冲击过载、表面疲劳以及表面磨损。疲劳是齿轮破坏最主要的形式,裂纹起源于加载一侧根部圆角表面处,且在正常受载情况下基本处于齿端的中心位置[2]。某发电厂的风力发电机在运行中出现故障后进行检查发现风机的某一传动齿轮中有一个轮齿出现断齿现象,与断齿配合的输入轴大齿轮工作面上留下了明显擦痕。断裂的轮齿,其断裂部位并不在受力最大的齿根,而在轮齿的中间腰部位置。齿轮箱内的传动结构分为三级,断裂发生在二级传动结构,齿轮箱中所有齿轮均为渐开线圆柱齿轮。

本工作通过对风机齿轮箱断齿残片进行宏微观观察,对断齿残片基体及断口源区进行了能谱分析,还对齿轮进行了断口定量分析,确定了齿轮箱齿轮的失效性质,并对断裂原因进行了分析。

1 试验

1.1 断齿宏观检查

在齿轮箱滑油中找到的断齿主体见图1。断齿长约213mm,断块断齿中部高度最大,越向轮齿两端断裂高度越小。断齿工作面表面完整,磨损轻微,仍可见加工痕迹。断口为斜断口,宏观痕迹表明裂纹首先产生于断齿主工作面中间位置向内约4mm处,并且源区距齿顶的垂直距离约13mm,随后向次工作面齿根部位以及轮齿两端扩展,次工作面的断口边缘距齿顶约25mm,即次工作面断口边缘位于齿根。断齿主工作面可见加工痕迹清晰完整,断口边缘未见明显加工缺陷。

断齿分区情况见图1,断面呈银灰色,局部轻微磨损,未见腐蚀形貌。由图可见,整个断齿表面密布疲劳弧线,特别是越靠近断齿两端疲劳弧线越清晰,断口表面也较粗糙,见图中①区和⑤区,这种特征应与裂纹扩展后期应力水平升高有关。断面上的疲劳弧线中心收敛于断口中部,见图中③区。虽然整个断口为斜断口,裂纹扩展路径弯折变化剧烈,但断面上各区域的疲劳弧线和扩展棱线清晰连贯,图2为主裂纹源局部形貌,可见由中心源区向外辐射的放射棱线以及向主工作面一侧发散的疲劳弧线。根据这些特征判断,图1断齿的主裂纹源应该位于断齿齿宽中部的轮齿内部。

1.2 断齿微观观察及能谱分析

将断齿整体超声波清洗后放入FEI QUORTA600扫描电子显微镜内进行观察。

断口源区形貌见图3。可见源区表面较粗糙且大部分磨损,局部未磨损的区域呈颗粒状。在裂纹扩展区可见疲劳条带,见图4。

断口源区存在一尺寸大致为300μm50μm的不规则长方条形区域,由许多呈块状的颗粒组成,该区域在扫描电镜下呈白色,可明显区别于基体颜色,与基体间存在空隙,疑似为杂质缺陷。对断口的源区进行能谱成分分析,结果见表1。齿轮材料为含Cr,Mn,Ni的合金钢,源区缺陷区域除基体成分,还含有较多的Al,O元素。

为了判断Al,O元素在断口上的分布情况,对断口源区元素进行了面分布分析,结果见图5,结果表明Al元素集中分布在裂纹源区,O元素在源区的分布也明显高于其他区域。

2 断口定量分析

裂纹从位于齿轮表面的内表面的夹杂处起源,在离源区较近的位置即可发现疲劳条带,断口上的疲劳条带形貌见图4。断口特征是断裂过程经历的真实记录,可以用扩展区的疲劳条带对断口受力、寿命等进行定量评估。利用断口疲劳条带间距进行定量分析的理论依据是:每一条疲劳条带相当于载荷或应变的一次循环,疲劳条带与载荷谱循环次数有一一对应的关系,每条疲劳条带的宽度就是载荷谱循环一次造成的裂纹扩展量[3]。因此,可以用疲劳条带间距的大小来评估扩展应力幅的大小[4]。

从断口上对疲劳条带间距进行测量,得到疲劳裂纹扩展速率随裂纹长度之间的变化数据并绘制曲线,见图6。通过图6可知,裂纹扩展速率呈有规律平稳的加速变化,该曲线表明,裂纹是在稳定工作载荷下发生扩展的,载荷幅的变化范围不大。同时通过断口上疲劳条带的测量可知,在离源区较近的区域(a0=0.2mm)即观察到的疲劳条带,这也说明由于源区存在缺陷造成应力集中,加快了疲劳裂纹的开裂和扩展。

3 分析讨论

断齿断口上有明显的源区、扩展区和瞬断区,该齿断裂在齿腰部,由其裂纹扩展方向可以判断该齿主要是在稳定载荷下发生的断裂,因此该齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂。

现场检查结果表明,风机减速箱各齿轮表面完整,除了被断齿及其碎片擦伤痕迹外,未见其它损伤。断齿表面加工痕迹清晰,未见偏磨痕迹,对油料分析表明油料品质良好,根据这些现象基本可以排除因加工维护失误导致的疲劳失效。对轮齿碎片组织、硬度及齿工作表面的残余应力进行分析,结果也基本能够证明齿轮的热加工、表面处理没有大的失误。

各种类型的齿轮都是按照抗弯曲疲劳设计的,而轮齿根部是弯曲应力最大的区域,也是经常疲劳断裂失效的部位。风机轮齿疲劳裂纹萌生于轮齿腰部,然而风机减速器齿轮为标准的渐开线圆柱齿轮,虽然缺乏齿轮组件的详细尺寸信息,无法进行受力分析,但是这种类型的齿轮在重载齿轮中经常使用,设计方法和加工工艺也非常成熟,因设计问题或偏载导致疲劳失效的可能性不大,而且断齿侧表面也不存在偏载的痕迹。

断口宏微观分析结果表明,风机断齿的疲劳源位于断齿中间腰部位置并距工作表面4mm处,所处深度已经超出了轮齿硬化层厚度,也就是说,疲劳裂纹并未萌生于弯曲应力最大的表面或次表面。轮齿从腰部发生断裂主要有三种可能:设计应力分布不合理、工作应力严重偏斜,或者轮齿该处材质异常。根据齿轮损伤特征,工作应力严重偏斜的可能性可被排除,设计应力分布不合理在上段论述也基本排除。断齿的主裂纹源为点源,边缘和两侧的小疲劳区只是主裂纹扩展后期应力变大的产物。通过对这个点源的形貌和微区成分分析,初步判断风机的断齿裂纹起源于轮齿内部的一处不规则形状的缺陷处,缺陷中富含Al,O等疑似炉渣类元素,由此判断应为夹渣材质缺陷。此缺陷明显降低齿轮材料的疲劳抗力,从而最终导致齿轮疲劳断裂。

4 结论

齿轮常见的弯曲疲劳一般开裂于加载一侧根部圆角表面处,且在正常受载情况下基本处于齿端的中心位置。本风机齿轮断裂于齿腰部距工作表面4mm处的弯曲疲劳断裂,导致该风机齿箱齿轮断裂的原因为该部位存在夹渣类材质缺陷。

摘要：某发电厂的风力发电机在运行中齿轮箱出现故障,经现场检查发现在风机某一级传动齿轮中有一个齿轮出现断齿现象,断裂部位在轮齿的中间腰部位置。为了判断风机齿轮箱的断裂性质及原因,对风机齿轮箱断齿残片进行了宏微观观察,对断齿残片基体及断口源区进行了能谱分析,测定了断齿表面残余应力,还对齿轮进行了断口定量分析。结果表明,风机齿轮箱齿轮轮齿失效性质为弯曲疲劳断裂。可基本排除齿轮设计、材质、使用维护方面的异常,齿轮断裂原因在于断裂部位存在夹渣缺陷。

关键词：齿轮,弯曲疲劳,夹渣缺陷

参考文献

[1]邱兴克.风力发电机三维建模与分析[D].乌鲁木齐:新疆大学,2006.

[2]陶春虎,钟培道,王仁智,等.航空发动机转动部件的失效与预防[M].北京:国防工业出版社,2000.289-291.

[3]章文峰,闫海.断口定量分析在评估构件疲劳寿命中的应用[J].材料工程,2000,(4):53-57.

泵轴断裂的失效分析 第5篇

客户购买的某型号离心泵在使用2-3个月后, 泵轴在钻有销孔处方发生断裂。此水泵所用电机的功率为3.0kW, 转速2900r/min, 泵轴与电机轴通过刚性联轴器联接传动, 联接尺寸见图1d。电机轴与联轴器通过Φ6的销联接。泵轴和销的材料均为SUS304。

1 断口形貌分析

断口如图1a所示。泵轴断口受力边各有一小块黑色的区域, 这是微裂纹开始的地方。泵轴断口光亮带处表明泵轴外表面微裂纹出现后, 因交变循环应力的作用而使该处的裂纹反复研磨而形成光亮带, 其余地方均为可见晶粒的新鲜断裂带。根据材料力学对断口的分析, 这是典型的疲劳断裂的断口。此水泵是单方向旋转, 泵轴只受单方向的扭矩, 不存在交变循环的应力, 是不会产生疲劳断裂的。因此先对泵轴和销的强度进行校核, 再对联轴器的联接进行分析。

2 强度校核

泵轴强度校核:根据设计手册扭矩计算公式, 电机额定扭矩MC=9549P/n, 式中, P———电机功率 (kw) n———电机转速 (r/min) 。因为P=3.0 N=2900, 所以MC=9549*3.0/2900=9.88N·m, 传动轴最大扭矩MCmax=2.2*9.88=21.7N·m。材料力学上圆轴扭转时剪应力计算公式τ=16MCmax/ (π*d3) =64MPa, 查设计手册, 泵轴钻销孔处的有效应力集中系数Kγ=3.4, 故泵轴最大切应力为τmax=τ*Kγ=217.6MPa。查不锈钢手册, SUS304的抗拉强度为539MPa, 一般剪切强度按抗拉强度的0.5-0.6倍计算, 所以许用剪切应力为[τ]=539*0.5=269.5MPa, 计算泵轴钻销孔处的安全系数n=[τ]/τmax=269.5/217.6=1.24, 强度略显不足, 安全系数最好是1.5-2。这里假设把水泵轴由Φ12改为Φ13, 而销直径由Φ6改为Φ5。再校核泵轴的强度, τ’=16MC/ (3.14*d3) =50MPa, K’γ=2.58, τ’max=50*2.58=129MPa, n’=[τ]/τmax=269.5*129=2.1, 强度足够。

销的强度校核:销受力图见图1b, 计算圆周力FT=MCmax/l=21.7 (10.4*10-3) =2086.5N, 销直径为Φ6, 所以其受剪切面积为S=πd2/4=3.1416*62/4=28.27mm2, 计算销所受的剪应力τmax=FT/S=73.8MPa, 销的安全系数n=[τ]/τmax=269.5/73.8=3.65 (倍) , 可见, 销的强度足够, 当销直径改为Φ5时, F’T=MCmax/l’=1808N, S’=πd2/4=3.1416*52/4=19.64mm2, τ’max=FT/S=92.2MPa, n=[τ]/τmax=269.5/92.2=2.9, 可见销的强度仍然足够。

由以上计算得知泵轴直径为Φ12时, 泵轴钻销孔处强度不足, 改为Φ13后强度足够;而销直径为Φ6或Φ5时, 强度均足够。

3 联轴器联接分析

现更换失效水泵的泵轴, 重新把水泵装配起来, 然后测量电机轴与泵轴的同轴度发现, 泵轴的轴心线偏离电机轴中心线0.3mm, 泵轴上销孔的中心偏离泵轴中心0.2mm, 如图1c所示。而联轴器是把电机轴与泵轴刚性联接在一起, 在水平面内没有浮动的余地。水泵正常工作时是电机通过联轴器把动力传递给泵轴的, 而且主要是通过销传递, 所以是销扭断了泵轴。销轴中心离泵轴中心最近的一点为0.2mm, 假定该点为A点, 在水泵运转过程中A点的轨迹是以0.2mm为半径的一个圆, 圆心是泵轴的中心, 而泵轴中心离电机轴心为0.3mm。泵轴与电机轴通过联轴器装配以后, 上面假设的A点在图1c位置时离电机轴中心0.3+0.2=0.5mm当泵轴转过180度后, A点到电机轴中心距离为0.3-0.2=0.1mm。依图1d可知联轴器装配后电机轴端的刚性比泵轴端的刚性好得多。水泵工作时, 电机轴通过联轴器会在泵轴销上的A点远离电机轴的位置时把水泵轴压弯。如图1d在泵轴与联轴器相接触的半圆孔中, 其左上角和右下角位置受泵轴磨损得相当严重也可以证实这一点。所以电机每转一圈, 泵轴的上端就会被弯曲一次, 使泵轴在联轴器的这一段除传递扭转负荷外, 还受到一个循环交变的弯曲力, 其组织内部存在一个交变循环的弯曲应力, 这是引起泵轴疲劳破坏的主要原因。

综合上述分析, 造成泵轴断裂的原因为:泵轴在销孔断面处强度略显不足;装配水泵时电机轴与泵轴偏心太大, 造成泵轴发生周期性弯曲, 产生疲劳破坏。

4 解决问题的建议

针对以上原因提出建议:泵轴联接外直径由Φ12改为Φ13, 连接销孔从Φ6改为Φ5;把泵轴中心线对电机轴中心线的偏心量控制在0.1mm以内, 销孔中心线与泵轴中心线的对称度控制在0.03mm以内。

摘要：本文通过水泵断轴的断口分析, 先对泵轴和销的强度进行校核, 并通过调整以增大安全系数;然后对断裂处的联轴器进行分析;最后针对失效原因提出解决失效问题的建议。

关键词：泵轴,断裂,失效分析

参考文献

[1]范钦珊, 主编.材料力学[M].北京:清华大学出版社, 2004.

四档从动齿轮断裂失效分析 第6篇

1 宏观断口分析

失效四档从动齿轮的实物照片见图1a) , 图1b) 为四档从动齿轮断裂部位切割试样;图1c) 为齿轮断裂部位的宏观断口形貌, 宏观断口表面为暗灰色脆性断口。

2 微观检验

断口经超声波清洗后, 在SEM下进行观察:从图2a) 中看到, 断裂起始于齿轮尖端, 该处为硬化层区, 断口边缘可见沿晶微裂纹, 裂纹源区为沿晶脆性断裂;在断口边缘发现有夹杂物存在 (见图3、图4) , 导致材料基体的不完整性, 为裂纹的萌生、延伸、扩展创造了条件。

3金相组织分析

四档从动齿轮各区域的显微组织见图5, 齿轮基体为回火马氏体, 淬硬层组织为马氏体组织。

4 显微硬度分析

使用HVS50数显维氏硬度计对齿轮表面进行硬度试验, 齿轮表面硬度HV:833, 满足技术条件中对于齿轮表面HV硬度值应≥650的要求。

5 分析结果

a.综合以上分析结果, 四档从动齿轮材料的硬度符合技术要求, 金相组织未见异常, 微观SEM检验在四档从动齿轮的齿尖淬硬层发现夹杂缺陷和大量的沿晶微裂纹。

热轧精轧接轴失效原因分析 第7篇

1580精轧主传动采用鼓型齿接轴, 安装在齿轮机座和精轧机之间, 承担着传递轧制扭矩的重要任务, 因此接轴质量的优劣和可靠性是精轧机组能否稳定运行的关键。

接轴自使用以来, 先后发生接轴进油环抱死、接轴芯部堵塞、齿端盖螺栓断裂、回油盘震动、扁头套磨损大等接轴故障, 造成了长时间的停机。为保证精轧主接轴无故障运行, 保证轧制的稳定性, 实现对设备的精细化管理, 接轴的改造攻关已势在必行。

1 精轧接轴主要问题

通过对精轧接轴展开系统的分析, 最终确定影响接轴稳定运行的有4大问题。

1.1 轴头扁头套磨损大、硬度低

接轴扁头套磨损增加直接导致工作辊扁头和接轴的扁头套间隙增大, 转动时接轴跳动严重, 空载运转时声响大, 影响到精轧的稳定性。

2010年6月12日检修时对F3 (3#机架) 和F4 (4#机架) 的扁头套间隙进行了测量, 测量数据见表1。

mm

接轴图纸的标准尺寸为340+0+0..24, 从实际测量的尺寸可以看出, 运行6个月后F4下扁头下轴的磨损量达到1mm以上。2011年4月初利用换辊时间对F4的接轴再一次进行了测量, 发现F4下轴的开口度达到了341.60以上, 磨损量达到了1.2以上, 已经到了必须更换的程度。扁头套的异常磨损反映出硬度较低, 不能满足现场需要。

1.2 接轴连杆断裂、弯曲和销子窜动

精轧接轴运行1年多以来, 接轴进油环和回油盘连杆、销子经常性脱落 (见图1) , 连杆出现弯曲甚至断裂等故障, 严重影响接轴的正常使用。另外回油盘连杆重量大, 导致回油盘轴承承受较大的偏心力并造成漏油, 由于进油连杆在润滑罩内, 处理起来非常困难。

1.3 进油环失效导致接轴抱死

接轴进油环采用双层结构 (见图2) , 包含内圈和外圈, 由于制造精度问题, 经常发生内外圈相对转动, 导致从外圈进入的润滑油无法通过内圈进入接轴, 继而引发进油环抱死等重大事故。

1.4 辊端鼓形齿压盖螺栓断裂、甩油

从接轴运行情况来看, F2上轴, F3上轴, F4上、下轴, F5下轴辊端鼓形齿压盖有甩油现象, 维修人员发现后多次紧固压盖螺栓, 螺栓出现断裂情况, 如图3所示。

2 原因分析

2.1 扁头套失效原因

通过对接轴扁头套硬度分析可知, 在加工工艺上, 扁头套只是做调质处理, 没有进行表面硬化层处理, 另外, 中心定位环也未作硬化处理。而中心定位环的作用更为重要, 一旦发生磨损, 就会造成接轴定位间隙过大, 当接轴高速转动时, 其表现往往是异常的震动, 不但对精轧的稳定性造成很大的影响, 还对接轴本身寿命产生影响。中心定位环的位置示意图如图4所示。

2.2 接轴连杆失效

通过分析, 造成连杆出现问题的原因有以下两点: (1) 连杆采用铜套和进油环或者回油盘相连, 其结构上存在不合理之处, 不利于连杆的摆动; (2) 连杆采用焊接结构, 重量偏大, 造成连杆偏向一侧, 当接轴高速旋转时, 连杆易出现震动, 不利于接轴润滑的稳定运行。

2.3 进油环失效

通过对进油环的检测发现, 受国内铸造技术的限制, 无法制作出合格的整体铜合金进油环 (铸造缺陷多, 成本高) , 不得已才采用图2所示的结构。采用双层结构进油环, 内外套的配合设计上过盈量小, 径向定位销强度无法满足使用要求。

2.4 辊端鼓形齿压盖螺栓失效

图5为辊端鼓形齿压盖位置示意图。经分析, 辊端鼓形齿压盖螺栓处甩油可能与以下因素相关:压盖的止口与扁头套的配合尺寸超差;压盖的端面平面度与扁头套的端面平面度不达标, 导致端面结合不紧密、不均匀;压盖的结合面间隙不均匀导致螺栓受力不均, 造成部分螺栓断裂。

3 改进方法及措施

3.1 提高扁头套的表面硬度

通过和国产接轴生产厂家进一步交流, 经过反复研究, 最终确定采用热喷焊的方法提高扁头套的表面硬度, 恢复扁头轴套的原始尺寸, 减小扁头套的表面磨损。处理后扁头套的表面硬度将达到HRC55, 可以满足使用要求, 同时对中心定位环也进行相同的加工工艺处理。

3.2 改进连杆的结构

将连杆由焊接式结构改为铸件结构 (见图6) , 同时减轻连杆重量, 将连杆的铜套连接改为关节轴承结构, 使连杆能在一定范围内实现左右摆动。

3.3 对接轴的进油环进行改造

在铜套和钢套侧面接触面之间增加轴向销钉, 每个进油环至少增加4个销钉, 并在保证铜套和芯轴的总间隙在0.13mm~0.26mm。

3.4 改变辊端鼓形齿压盖处螺栓

将接轴辊端鼓形齿压盖处螺栓全部改为双头螺栓, 消除螺栓头部退刀槽的薄弱点, 螺栓本身强度仍为10.9级保持不变;并和厂家沟通, 加强了此处的加工精度。所返修接轴必须达到图纸要求精度, 并出具相应的检测报告。

4 结论

某型矿车铰接轴断裂失效分析及改进 第8篇

煤矿井下环境恶劣,路面坑洼不平,车辆重载过程中,铰接轴受到的冲击载荷巨大[1],且煤矿生产任务重,车辆经常需要连班运行,往往得不到及时的维护与保养,导致部分车辆出现铰接轴断裂失效事故。本文通过对铰接轴断面的宏观观察和有限元分析,找到了铰接轴断裂失效的原因,并主要针对其结构方面提出了改进措施。

1. 前机架; 2. 转向油缸; 3. 中间铰接装置; 4. 后机架

矿用铰接车辆结构上主要由前机架和后机架两大部分组成,如图1所示。前、后机架通过中间铰接装置及一根水平铰接轴相连,前机架和中间铰接装置之间由两根垂直铰接销和两根对称布置的转向油缸相连,从而实现铰接转向,中间铰接装置与后机架之间通过一根水平铰接轴连接,铰接轴与后机架之间通过一对向心滚子轴承支撑,当路面不平时,通过后机架与铰接轴之间的小范围转动来适应左右不平的路面,如图2所示。因此铰接轴在工作中主要承受循环单向弯曲载荷和径向的剪切应力[2]。

1. 铰接销; 2. 中间铰接装置; 3. 轴承Ⅰ; 4. 铰接轴; 5. 轴承Ⅱ; 6. 平键

1断口宏观观察

轴类零件断裂的原因非常复杂,往往与其设计尺寸、形状、材料的缺陷、冷热加工工艺、受载状态、设备的安装使用情况、以及其他零部件发生故障等情况有关。图3为某矿用车辆铰接轴的断面照片,断裂位置位于其与轴承Ⅰ配合段前端的轴肩与键槽的尾端部分。 断口基本与轴向垂直,根据断面的粗糙程度及颜色可以看出,断面上大致呈现出三个不同的区域,如图3(a所示。靠近轴表面键槽尾部明显可见数段围绕键槽缺口的数段疲劳弧线,如图3(b)所示;位于轴的中间部分颜色较亮且粗糙的区域,呈现出典型向周围放射状的“贝壳花样”。而剩余部分颜色较新且呈现出相对粗糙的结晶状。根据断面裂纹形貌绘制出断面形态示意图,如图3(c)所示。疲劳弧线是识别疲劳端口的重要标志,对于结构钢承力构件的疲劳断口来说尤其如此,因此可以确定,铰接轴属于疲劳断裂[3~5]。

在宏观疲劳断口上,瞬时断裂区面积所占的百分比,对于判断疲劳应力的高低很有价值,一般说来, 瞬断区面积越小, 疲劳应力越低[5]。可以根据瞬时断裂区的面积和材料的缺口拉伸断裂强度来粗略地估算零件所承受的最大循环应力(σmax),即:

式中,σb为材料的缺口拉伸断裂强度(Kg/mm2); An为瞬时断裂区的面积(mm2);A为包括瞬断区在内的整个疲劳断口面积(mm2)。已知铰接轴的材料参数为:弹性模量E=206×105,泊松比为0.3,σb=980MPa, σs=835MPa。由图3(c)中可以看出铰接轴的瞬断区面积约为总断面面积的72%,则计算可得铰接轴所承受的最大循环应力约为705.6MPa。

2铰接轴的有限元分析

为了进一步确定铰接轴断裂的原因,对使用此车辆的煤矿的路面条件进行了勘察,现场勘察发现在车辆驶过的路面中存在跨度为980mm,深为150mm的V形路面,已知车辆满载车速为0~10km/h。针对此工况条件, 在多体动力学软件中对车辆满载工况进行动力学仿真求解。可以得到车辆各部件的加速度、速度、位移以及各个铰接点和轮胎所受的力,因此可以求得任一部件的受力状态和运动状态,从而为各部件的有限元分析提供了载荷依据。在有限元软件中将中间铰接部分连同铰接轴一起进行加载求解。分别求得铰接轴在不同车速和不同安装方式下的平路与过坑工况下的受力状态。

图4为满载车辆以10km/h的速度过坑工况下铰接轴的应力云图。由图4(a)可见,当铰接轴上的键槽朝下安装时,最大应力为676.14MPa,与前文公式估算得到的最大循环应力相近,且小于材料的屈服极限,因此可以得出当车辆以10km/h的速度行驶时,铰接轴承受了平均值为284MPa,最大值为676.14MPa,最小值为0MPa的交变循环应力。而最大应力点的位置出现在键槽末端, 与实际断裂面的疲劳源相吻合,即铰接轴是在较小的交变循环应力作用下产生疲劳断裂,疲劳源为键槽尾端。 当铰接轴上的键槽朝上安装时最大应力为647.85MPa, 与键槽朝下安装所得最大应力相比十分接近且小于后者,位置出现在轴的另一侧,且位于同一截面内,如图5(b)所示。由此可见同种工况下,两种安装方式的最大应力值差别不大,但键槽朝上安装将使得键槽部分产生应力集中,从而容易产生疲劳裂纹,这是由于铰接轴承受了巨大的单向弯矩所导致。因此铰接轴安装时要注意键槽朝上安装。

为了研究不同车速过坑对铰接轴受力的影响,分别在10km/h、7.5km/h、5km/h三种车速下对铰接轴的受力,进行仿真分析,所得结果如表1所示。由表1可见, 车辆过坑时,随着车速减慢,铰接轴的受力成倍减小,而车辆平路行驶时,车速对铰接轴的受力影响却相对较小, 因此当车辆过坑时,司机必须减速慢行,避免野蛮行车, 否则对铰接轴的损伤极大,缩短铰接轴的使用寿命。

3铰接轴结构优化

由于铰接轴为连接前后机架的关键部件,其寿命直接影响着车辆的使用和煤矿运输的效率。而影响铰接轴寿命的因素颇多,为此本文在不改变原有机架结构的情况下仅对铰接轴的结构进行了优化。在图4中可以看出,铰接轴的危险截面为中间铰接装置与后机架的安装平面上,此截面承受着巨大的剪力,因此将此部分截面积加大,原结构的两个对心滚子轴承相应更换为轴套, 而靠近此截面的键槽是疲劳裂纹敏感区,将键槽长度变小,远离危险截面,铰接轴优化后的结构如图5所示。 以相同的加载方式和载荷对铰接轴进行有限元分析结果如图6所示。可以看出优化后的应力云图较优化前受力均匀,应力值显著降低,从而降低了铰接轴疲劳敏感性。经过长时间的实践检验,优化后的铰接轴使用良好,未再次出现断裂失效事故。

1. 铰接销; 2. 中间铰接装置; 3. 轴承Ⅰ; 4. 铰接轴; 5. 轴承Ⅱ; 6. 平键

4结论

铰接轴主要承受循环单向弯曲载荷和径向剪切应力。由于矿用车辆相对于普通车辆要求在复杂工况条件下的高可靠性,因此在设计铰接轴时应在结构方面尽力增大危险截面的面积,以提高抗剪强度及其可靠性,避免在危险截面附近出现轴肩或键槽等不连续表面,以免出现疲劳敏感区;在工艺方面降低零件表面的粗糙度值,对零件表面进行钝化处理,如渗碳、氮化、表面淬火等;安装铰接轴时,应根据铰接轴的受力特点来确定合理的安装方式,尤其承受单向重载的轴类零件,避免键槽等容易应力集中的特征出现在轴受力较大的一侧; 在车辆使用方面,当车辆重载通过路况较差的路段时, 司机应减速慢行来降低对铰接轴及其他各部件的冲击, 同时应根据具体使用情况经常对车辆的关键连接部分进行必要的检查,定期保养, 定期大修,防患于未然。

摘要：某型矿车在经过一段时间的使用后,其铰接轴出现断裂失效现象。通过对断口的宏观观察,并利用有限元软件对其进行了力学分析,结合分析结果与断口的宏观特征,找出了铰接轴断裂失效的主要原因为疲劳断裂,疲劳起源为键槽尾端,并在不改变机架结构的基础上对铰接轴结构进行了优化,经实践检验后使用良好,未再次出现断裂失效事故,为轴类零件的设计和安全评估提供了依据。

挖掘机行走大齿轮断齿失效分析 第9篇

某厂生产的矿用挖掘机行走大齿轮,材质为ZG35CrMo,齿轮模数m=16,齿数z=84,技术要求调质HB229～HB255,表面中频淬火HRC35～HRC45,深度3mm～3.5mm。其主要生产工序为:铸造毛坯-粗加工-调质热处理-精加工-齿形表淬。在安装使用后约2天即发生齿轮开裂、断齿现象。为确定其开裂的原因,特对该齿轮进行定位解剖,作全面系统的试验分析。

2试验分析

2.1 宏观断口分析

该齿轮整齿断为两截,齿面有明显的塑变和大片压痕,齿顶有严重的起脊现象。开裂起源于两侧齿根部,断口无疲劳迹象,见图1。分析表明:齿轮材料可能硬度偏低,接触应力偏高,且有齿轮传动啮合不良或齿面润滑不良现象,同时可能有大型异物进入传动系统,引起过载,导致断齿。

2.2 化学成分分析

应用化学分析法检测基体化学成分,结果见表1。

检测结果表明:齿轮中S含量偏高,超出合格范围,不符合要求。

2.3 低倍试验分析

2.3.1 齿轮径向截面热酸浸试验

做齿轮径向截面热酸浸试验,结果表明:齿轮表面淬硬层分布不均匀,除齿顶外,大部分区域无明显淬硬层,而且整个齿面存在较严重的铸态枝晶偏析现象,齿面上有数条小裂纹。齿轮的径向截面低倍宏观形貌见图2。

2.3.2 宏观硬度试验

齿轮截面硬度试验结果见表2。试验结果显示:该齿轮除齿顶和心部硬度在要求范围外,其余均不符合要求,节圆和齿根处硬度远低于表面淬火硬度要求。这

与低倍热酸浸试验结果基本相符。

2.4 显微组织分析

非金属夹杂物检测结果表明:钢中主要存在A类硫化物夹杂,最严重视场A类硫化物大于3.0级,其它各类夹杂均在合格范围内。齿轮各部位组织、晶粒度分布情况见表3。

由齿轮各部位组织分析可知:该齿轮除齿顶外,大部分区域不是表淬所应有的正常组织,与低倍试验、硬度试验结果相符。节圆表面组织见图3,齿轮心部含有大量贝氏体和铁素体,并存在明显的偏析现象,见图4,这些非平衡组织的存在将对工件的力学性能产生不利影响。并且齿根处有几条小裂纹,裂纹旁组织无氧化、脱碳,但有明显的挤压变形现象(见图5),说明小裂纹是受较大外力挤压产生的。

3讨论与分析

轮齿折断在多数情况下是疲劳的结果,但也有可能是超载脆性折断。当轮齿啮合开始或终了时,在齿根危险截面表面处发生最大弯曲应力,当弯曲应力超过材料的持久极限时,轮齿出现疲劳破坏,而超过材料抗弯强度时就会造成轮齿折断。通过对齿轮断齿的检测、试验、分析,综合讨论分析认为:该齿轮表淬热处理工艺操作不当,导致齿部淬硬层不合格,除齿顶外,大部分区域无明显淬硬层,齿部硬度偏低,这直接导致了其力学性能的下降,承受载荷的能力也大大降低;当齿部啮合不良或齿面润滑不良,再或有大型异物进入传动系统,就会引起过载,造成齿面挤压变形、开裂,并在承受最大弯曲应力的齿根处表现最为明显,导致齿根部开裂、断齿。同时轮齿心部存在较严重的组织不均匀,这是宏观偏析所造成的化学成份不均匀和组织的不均匀,这将直接导致其力学性能的不均匀,尤其偏析处塑性、韧性下降;其次组织中存在贝氏体、铁素体等铸态非平衡态组织,说明铸件未做改善组织不均匀性的热处理,或所做铸后热处理效果不理想,从而使这种组织一直保留在铸件中,在调质热处理后,此种组织仍无法消除,严重影响了钢的塑性和韧性。

4结论

(1)齿轮开裂起源于两侧齿根部,属过载断齿。

(2)造成齿轮开裂、断齿的原因是齿部啮合不良或承受巨大外力,造成齿面挤压变形、开裂,并在承受最大弯曲应力的齿根处开裂、断齿;同时齿轮表淬热处理工艺操作不当,导致齿根部未淬硬,降低了材料的抗弯强度,从而大大降低了齿根部承受载荷的能力。

5改进措施

(1)齿轮制造、安装时要严格按照图纸要求,既要保证齿形尺寸符合要求,又要保证安装尺寸符合要求。

(2)齿轮运行时应保证良好的润滑,避免异物进入传动系统或润滑系统,防止过载。

(3)齿轮表面淬火热处理工艺应严格执行沿齿沟淬火法,感应器制作应合适,并调整好感应器与齿沟各点间的间隙和感应器的移动速度,以保证齿面和齿沟得到均匀分布的硬化层。

摘要：采用化学成分分析、宏微观检验、硬度试验等方法,对失效齿轮进行了分析。分析结果表明,该齿轮属过载断齿,同时齿轮表淬热处理工艺操作不当、齿根部未淬硬也是齿轮失效的原因。

关键词：齿轮,断齿,失效分析

参考文献