某1.5MW風(fēng)電增速機(jī)在試運(yùn)行時(shí)發(fā)生輸出齒輪軸斷裂事故，此零件在增速機(jī)中處于末級(jí)輸出位置，工作環(huán)境為高周次、低應(yīng)力狀態(tài)，材質(zhì)為18CrNiMo7-6。工藝流程為：鍛造→粗車→半精車→滾齒→滲碳→重新加熱淬火→精車→磨齒→成品。本文將對(duì)失效輸出軸進(jìn)行解剖檢測(cè)，確定斷裂性質(zhì)，分析失效主要原因。
斷口形貌檢查
1.外觀檢查
如圖1所示，失效區(qū)域?yàn)檫B續(xù)5個(gè)齒，其中4個(gè)齒沿齒長(zhǎng)方向完全斷裂，1個(gè)齒在節(jié)線以上呈現(xiàn)局部完全剝離現(xiàn)象，其余輪齒未見斷齒現(xiàn)象，所有非工作面無嚙合痕跡；失效區(qū)工作面呈大面積剝落、斷齒現(xiàn)象，其余工作面可見局部分布的輕微凹坑剝落，主要呈光面狀態(tài)，工作面可見嚙合痕跡不均勻；軸承表面無麻點(diǎn)等異常缺陷。
圖1 輸出軸外觀形貌
2.斷口形貌特征及斷裂模式
宏觀觀察，斷口可見三種失效模式：①疲勞斷口，有明顯的疲勞斷裂模式，斷口由三部分組成，斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，斷裂源區(qū)處于表面點(diǎn)蝕坑內(nèi)，為多個(gè)疲勞源頭，擴(kuò)展區(qū)特征為疲勞貝紋線，斷口由工作面向非工作面擴(kuò)展，疲勞弧線在源頭較致密，在瞬斷區(qū)較粗，擴(kuò)展區(qū)占總斷裂面積的75%以上（見圖2）。②一次性快速斷裂斷口，斷口無明顯的疲勞斷裂特征，屬于大應(yīng)力破壞，輪齒斷裂起始源處于高應(yīng)力區(qū)。③齒面剝落及點(diǎn)蝕，屬于接觸疲勞的一種表現(xiàn)，點(diǎn)蝕主要原因?yàn)榻蛔兘佑|應(yīng)力的最大值超過材料的接觸疲勞強(qiáng)度，其次為齒面潤(rùn)滑油滲入裂紋的脹擠作用，加速裂紋的擴(kuò)展而形成點(diǎn)蝕。
圖2 斷口宏觀形貌
從這三種齒面失效模式分析得出：輸出軸的斷齒失效事故為疲勞斷裂，非過載導(dǎo)致的快速斷裂失效，疲勞斷裂源頭為點(diǎn)蝕坑及剝落凹坑（見圖3）。在剛出現(xiàn)少數(shù)點(diǎn)蝕時(shí)，齒輪軸仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時(shí)間的延續(xù)，點(diǎn)蝕剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴(kuò)大，嚙合情況不斷惡化，磨損加劇產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展直至齒斷裂，而斷裂的齒嵌入未發(fā)生裂紋的齒間，產(chǎn)生較大的沖擊力，使齒輪軸斷齒附近的其余數(shù)齒均被打斷，產(chǎn)生輪齒快速斷裂。
圖3 剝落宏觀形貌
測(cè)試和分析結(jié)果
1.冶金質(zhì)量檢測(cè)
失效區(qū)域化學(xué)成分定量檢測(cè)（見表1）表明該齒輪成分符合技術(shù)要求。
表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）
在斷裂區(qū)域取樣，拋光未腐蝕狀態(tài)下在顯微鏡在觀察，僅含有少量非金屬夾雜物，其結(jié)果見表2，結(jié)果符合ISO 6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計(jì)算—第5部分材料強(qiáng)度》ME級(jí)要求。
表2 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果
A類 | B類 | C類 | D類 | ||||
細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 |
0.5 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
2.滲碳淬火組織檢測(cè)
截取斷裂齒部，經(jīng)磨制后，在金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，齒根脫碳層16μm，內(nèi)氧化IGO為10μm，脫碳層及IGO符合技術(shù)要求，不存在齒根表面因脫碳而產(chǎn)生拉應(yīng)力引起疲勞斷裂的可能。斷口區(qū)域齒面顯微組織見圖4，芯部組織見圖5，可見齒面表面馬氏體針為10μm左右，無可見碳化物，殘奧為20%左右，芯部組織為馬氏體加少量下貝氏體，芯部硬度36~38HRC，組織符合ISO6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計(jì)算—第5部分材料強(qiáng)度》ME級(jí)要求，失效非熱處理組織問題導(dǎo)致。
圖4 斷裂源區(qū)表面顯微組織
圖5 芯部顯微組織
3.表面硬度及硬化層檢測(cè)
斷齒嚙合面表面硬度為59～61HRC，符合≥58HRC技術(shù)要求；斷齒嚙合面節(jié)圓區(qū)硬化層0.81mm，齒根硬化層0.9mm。齒輪軸模數(shù)5.5，按照ISO6336-5標(biāo)準(zhǔn)，防止點(diǎn)蝕產(chǎn)生的最小硬化層為0.825mm；按AGMA2001計(jì)算，最小硬化層深度為0.8159mm，實(shí)測(cè)值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。若硬化層深度不足，在次表面承受不了剪切應(yīng)力的作用將萌生疲勞裂紋，隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋向表面擴(kuò)展，繼而發(fā)生齒面剝落，隨著剝落增多，輪齒有效截面減少，最后輪齒斷裂，但對(duì)于滲碳淬火最佳淬硬層深度的確定，至今也沒有一個(gè)權(quán)威的理論和方法被大家所能完全接受，這些理論和方法一直都有爭(zhēng)議，0.81mm深度可能僅是齒輪軸斷齒的非直接性因素，但其為斷裂事故提供了潛在失效基礎(chǔ)。
4.殘留應(yīng)力檢測(cè)
對(duì)斷裂齒的齒面及齒根進(jìn)行X射線衍射法殘留應(yīng)力（見表3）及殘留奧氏體檢測(cè)（見表4），斷裂齒部齒面最大殘留壓應(yīng)力-1095 MPa，齒根在100μm處出現(xiàn)最大殘留壓應(yīng)力-926MPa。該殘留應(yīng)力符合滲碳淬火齒輪壓應(yīng)力分布特點(diǎn)，殘留壓應(yīng)力符合技術(shù)要求，斷齒非殘留應(yīng)力異常導(dǎo)致。齒根最大殘留奧氏體數(shù)量23.8%，殘留奧氏體數(shù)量符合ISO 6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計(jì)算——第5部分材料強(qiáng)度》ME級(jí)要求，失效與殘留奧氏體無關(guān)。
表3 X射線衍射法殘余應(yīng)力結(jié)果（MPa）
表4 X射線衍射法殘留奧氏體結(jié)果
5.齒輪軸嚙合及精度檢測(cè)
齒輪軸工作面嚙合痕跡主要呈現(xiàn)三種形態(tài)：一為齒根產(chǎn)生點(diǎn)蝕及凹坑，節(jié)線及以上呈光面狀態(tài)，見圖6；
圖6 輸出軸嚙合狀況1
二為僅節(jié)線以上局部接觸，沿齒高方向接觸率＜30%，其余齒面保留磨齒表面流線，見圖7；
圖7 輸出軸嚙合狀況2
三為嚙合良好，在齒高及齒向方向均有效接觸，齒面成光面狀態(tài)，見圖8。
圖8 輸出軸嚙合狀況3
從嚙合狀況來看，嚙合不良，在齒向以及齒高方向上局部未完全參加嚙合，局部偏載，載荷分布不均勻。從圖7中節(jié)線處的磨削流線痕跡可分析出：增速機(jī)運(yùn)行后，該部位一直未參加嚙合運(yùn)動(dòng)，否則經(jīng)過一階段的跑合應(yīng)產(chǎn)生圖8所示的光面效果，說明載荷分布不均非斷裂齒部阻擾造成，為原先齒輪副系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工或安裝不合理導(dǎo)致。
對(duì)該齒輪軸進(jìn)行精度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其齒頂偏正，同時(shí)對(duì)配對(duì)齒輪精度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其齒頂無偏正或偏負(fù)現(xiàn)象，此種齒形將導(dǎo)致嚙合時(shí)節(jié)線以上區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行跑合磨損，產(chǎn)生局部高交變應(yīng)力接觸，隨著跑合的進(jìn)行，齒面的粗糙峰逐漸磨平，實(shí)際接觸面積增大。此齒輪軸齒面硬化層僅0.81mm，節(jié)線以上區(qū)域的局部磨損致使節(jié)線以上區(qū)域硬化層較大幅度降低，在嚙合時(shí)，局部高接觸應(yīng)力導(dǎo)致最大剪切應(yīng)力峰所處位置大于磨損后的硬化層深度，將在次表層萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋萌生后，裂紋沿著最大剪切應(yīng)力方向平行齒面擴(kuò)展，壓斷后形成剝落型凹坑。圖9為齒輪軸齒形示意圖；圖10為節(jié)線以上區(qū)域磨損剝落演示圖（δ為節(jié)線以上區(qū)域磨損深度）。
圖9 齒輪軸齒形示意
圖10 硬化層磨損剝落演示
偏載原因之一為設(shè)計(jì)加工或安裝不合理，安裝精度低，同軸度差；原因之二為齒廓修形偏正，節(jié)線以上區(qū)域凸起，致使齒輪軸跑合期僅節(jié)線以上區(qū)域參與嚙合，齒頂磨損量加大，結(jié)合硬化層偏淺不利因素，淺層剝落裂紋幾率大增。兩方面原因致使齒輪軸在受載變形后齒面壓力分布不均勻，齒面接觸不良，產(chǎn)生偏載和較大的振動(dòng)，嚙入和嚙出的沖擊力增大，接觸應(yīng)力增大，輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱越大，結(jié)果導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜失效，形成點(diǎn)蝕及剝落，最終使輪齒產(chǎn)生疲勞斷裂。
結(jié)語
（1）輸出齒輪軸失效斷裂與冶金質(zhì)量無關(guān)，斷裂源區(qū)未見原材料缺陷。
（2）失效斷裂為疲勞斷裂，非過載導(dǎo)致的快速斷裂失效。
（3）齒輪副設(shè)計(jì)、裝配不當(dāng)以及齒形修形設(shè)計(jì)、加工不合理產(chǎn)生的偏載是斷齒失效的主要原因。
（4）在嚙合異常條件下，齒面硬化層偏淺成為斷裂失效原因之一。
作者：顧曉明、姜維杰、牟杏華
單位：常州天山重工機(jī)械有限公司
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