陳宗瑞 潘安霞

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 前言

在齒輪箱中齒輪主要承擔(dān)著扭矩傳遞和速比增加的功能，齒輪斷齒是齒輪箱故障中最為嚴(yán)重的問(wèn)題之一[1]。某齒輪箱在運(yùn)行1年后發(fā)生了中齒軸斷齒事故，導(dǎo)致中間級(jí)齒輪副卡死，齒輪箱損毀嚴(yán)重。

本文結(jié)合該齒輪箱的運(yùn)行情況，對(duì)斷裂齒輪進(jìn)行宏微觀斷口形貌、化學(xué)成分、顯微組織以及力學(xué)性能的試驗(yàn)分析，以期得到造成該齒輪箱嚴(yán)重?fù)p毀的主要原因[2]。

1 中齒軸設(shè)計(jì)要求及計(jì)算分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

中齒軸設(shè)計(jì)壽命為20年，要求原材料采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼，滿足ISO6336-5中MQ等級(jí)要求，鍛造比大于7，超聲波探傷要求開(kāi)齒部位缺陷不大于?2 mm，其他部位缺陷不大于?3 mm。齒面要求采用滲碳淬火工藝，表面硬度為58～62 HRC，芯部硬度為30～42 HRC，有效硬化層深2.4～2.9 mm。

關(guān)于齒軸計(jì)算強(qiáng)度要求，在極限扭載荷下齒輪靜強(qiáng)度安全系數(shù)如下：接觸強(qiáng)度安全系數(shù)SH>1.0，彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)SF>1.4，在時(shí)序疲勞載荷下的齒輪疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為SH>1.2,SF>1.5。

圖1為某齒輪箱中齒軸外形結(jié)構(gòu)示意圖，表1為某齒輪箱中齒軸齒輪主要參數(shù)。

圖1 中齒軸結(jié)構(gòu)示意圖

表1 中齒軸齒輪參數(shù)

1.2 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)ISO 6336—2006標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算極限載荷下的中齒軸靜強(qiáng)度安全系數(shù)如下：SH靜=1.534,SF靜=3.162。滿足GL2010關(guān)于齒輪靜強(qiáng)度安全系數(shù)SH>1.0，SF>1.4的要求。

根據(jù)ISO 6336—2006標(biāo)準(zhǔn)，在KHβ=1.15,KV=1.05的情況下，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為：SH=1.274,SF=1.895。滿足GL2010關(guān)于齒輪疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)SH>1.2，SF>1.5的要求。

2 試驗(yàn)檢測(cè)與分析

2.1 宏觀形貌分析

圖2是失效的中齒軸宏觀形貌照片，斷齒位置位于I區(qū)和II區(qū)。其中I區(qū)斷裂位置在齒面中間部位，在其斷面處發(fā)現(xiàn)具有疲勞特征的貝紋線，值得注意的是疲勞源位于齒面中間部位，而并非位于彎曲應(yīng)力最大的齒根處。II區(qū)的斷齒斷面具有一次性脆性斷裂特征。根據(jù)以上特征可以推斷I區(qū)首先發(fā)生疲勞斷裂，造成工作面局部承載應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致II區(qū)隨后斷裂。

圖2 中齒軸損傷宏觀形貌

圖3是在齒輪箱內(nèi)找到的掉塊試樣，掉塊長(zhǎng)約220 mm，斷面呈銀灰色，局部存在輕微磨損痕跡，未見(jiàn)腐蝕形貌，根據(jù)以上特征可以推斷該掉塊試樣與I區(qū)斷口相對(duì)應(yīng)。整個(gè)斷面密布疲勞貝紋弧線，弧線收斂于斷面中部，圖4箭頭所指處，疲勞源位于距離工作面約4 mm處。

圖3 I區(qū)斷口對(duì)應(yīng)的掉塊宏觀形貌照片

圖4 I區(qū)斷口對(duì)應(yīng)的掉塊疲勞源處局部放大照片

2.2 斷口微觀形貌分析

為進(jìn)一步分析中齒軸的斷齒原因，將掉塊試樣經(jīng)乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡觀察，如圖5和圖6所示。疲勞源區(qū)存在一個(gè)尺寸大致為2 070 μm×312 μm的不規(guī)則長(zhǎng)方條形區(qū)域，由較多條塊狀顆粒組成，該區(qū)域在電鏡下呈深灰色，明顯區(qū)別于基體顏色，且與基體存在空隙，疑似為雜質(zhì)缺陷。表2是圖6方框區(qū)域的能譜測(cè)試結(jié)果，疲勞源區(qū)缺陷除基體成分外，還含有較多的氧、鋁、硫和鈣元素。

圖5 掉塊試樣疲勞源附近掃描電鏡照片(×7)

圖6 疲勞源處微觀形貌(×32)

表2 疲勞源區(qū)能譜分析結(jié)果 /%

2.3 顯微組織分析

采用線切割的方法從中齒軸斷齒輪齒部位取齒塊試樣進(jìn)行顯微組織分析，對(duì)所取齒塊截面進(jìn)行磨拋制成金相試樣，并采用4%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行侵蝕，然后使用金相顯微鏡對(duì)其組織進(jìn)行觀察。圖7是齒塊節(jié)圓表面金相組織，該區(qū)域組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+彌散顆粒狀碳化物。圖8是齒根表面金相組織，該區(qū)域次表面組織和節(jié)圓一致，但表面存在深約35 μm的非馬氏體層。非馬氏體層是由于齒輪表面內(nèi)氧化的產(chǎn)生及合金元素的貧化，使得該區(qū)域淬透性降低，導(dǎo)致在隨后的淬火過(guò)程中形成屈氏體和貝氏體[3-4]。節(jié)圓表面由于受到磨加工，其非馬氏體層可以去除，而齒根處磨加工量較小，其非馬氏體層仍然保留。圖9是齒塊心部金相組織，該區(qū)域組織為貝氏體+回火馬氏體，該區(qū)域洛氏硬度為37HRC。

圖7 節(jié)圓處表面金相組織(×500) 圖8 齒根處表層金相組織(×500)

圖9 齒塊心部金相組織(×500)

2.4 材料成分分析

從中齒軸斷齒輪齒中部鉆取碎屑試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，以避免表面滲碳的影響，其檢測(cè)結(jié)果表明，檢測(cè)樣品材料各成分?jǐn)?shù)據(jù)近EN 10084—2008中牌號(hào)為18CrNiMo7-6的合金鋼。檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)合金鋼化學(xué)成分對(duì)比如表3所示。

表3 中齒軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

2.5.1顯微硬度測(cè)試

采用線切割從中齒軸斷齒輪齒上取齒塊樣，磨制截面后根據(jù)GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)齒塊節(jié)圓和齒根處進(jìn)行淬硬層深度測(cè)試，測(cè)試位置如圖10所示。①、②、③處淬硬層深度分別為2.380 mm、2.327 mm、2.100 mm(見(jiàn)圖11)。

圖10 淬硬層深度測(cè)試位置示意圖

圖11 淬硬層深度測(cè)試位置示意圖

2.5.2拉伸性能檢測(cè)

對(duì)中齒軸斷齒輪齒的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，其拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。測(cè)試結(jié)果表明材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)均高于技術(shù)條件。

表4 材料的拉伸性能數(shù)據(jù)

2.5.3沖擊性能檢測(cè)

根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》要求，制備夏比沖擊標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣，缺口深度為2 mm，缺口角度為45°，缺口底部曲率半徑為(0.25±0.025)mm。其測(cè)試結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與技術(shù)要求對(duì)比表明，材料的常溫沖擊性能滿足技術(shù)要求。

表5 材料的沖擊性能數(shù)據(jù)

3 失效原因探討

從齒輪箱的損毀情況和斷面特征可以看出，中齒軸齒輪齒腰部斷齒面(圖2中I區(qū))存在明顯的疲勞擴(kuò)展貝紋線，屬于典型的疲勞斷口，可以判斷齒腰部首先發(fā)生疲勞斷裂，斷裂后的碎屑將潤(rùn)滑油污染，導(dǎo)致齒面在后續(xù)嚙合中擦傷。齒輪斷齒后工作面局部接觸應(yīng)力加大，導(dǎo)致了齒輪端部發(fā)生脆性斷裂。因此該齒輪的失效原因?yàn)镮區(qū)彎曲疲勞斷裂。

齒輪工作時(shí)存在兩個(gè)主應(yīng)力區(qū)：一個(gè)是表面接觸應(yīng)力，它是由輸入扭矩從一個(gè)齒輪傳遞到與之嚙合的另一齒輪所引起的接觸壓應(yīng)力，此承載區(qū)域隨著齒輪間的相互嚙合而在齒廓上下移動(dòng)；另一個(gè)主應(yīng)力是齒根彎曲應(yīng)力，由于齒輪是懸臂梁結(jié)構(gòu)，在受到載荷后最大彎曲拉應(yīng)力發(fā)生在作為承載懸臂梁支撐點(diǎn)的齒根圓角處。

而上文中涉及到的齒輪疲勞源位于齒腰部距工作面4 mm處，齒輪淬硬層深度約為2.3 mm，疲勞源所處深度超出了輪齒硬化層深度，疲勞裂紋并未萌生于接觸拉應(yīng)力最大的次表面和彎曲應(yīng)力最大的齒根處。這可以排除設(shè)計(jì)應(yīng)力分布不合理、齒根表面加工工藝不當(dāng)?shù)目赡苄?。通過(guò)對(duì)疲勞源處的形貌和微區(qū)成分分析，源區(qū)存在一個(gè)尺寸大致為2 070 μm×312 μm的不規(guī)則長(zhǎng)方條形區(qū)域，由較多條塊狀顆粒組成，除基體成分外，還含有較多的氧、鋁、硫和鈣等具有夾渣特征的元素，由此可以判斷為夾渣類(lèi)的材質(zhì)缺陷，該缺陷大幅降低了材料的疲勞壽命，從而導(dǎo)致齒輪早期疲勞斷裂。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

從齒輪強(qiáng)度驗(yàn)算報(bào)告中發(fā)現(xiàn)中齒軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)要遠(yuǎn)小于其他齒輪安全系數(shù)，是齒輪箱中最薄弱的環(huán)節(jié)。因此設(shè)計(jì)者在各級(jí)傳動(dòng)比分配設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各級(jí)之間的傳動(dòng)形式不同和等強(qiáng)度，增大行星級(jí)速比、減小第二級(jí)速比。此外，在中齒軸變位系數(shù)分配時(shí)，除“AGMA等滑動(dòng)法”外可以嘗試采用“ISO等彎曲B法”，增加中齒軸的正變位。

圖12是自主開(kāi)發(fā)的齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其提供了5種傳動(dòng)比分配方法和5種變位系數(shù)分配方法。

圖12 齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)

(1)原材料優(yōu)化建議。由于中齒軸的安全裕度低，建議原材料選擇18CrNiMo7-6電渣重熔鋼錠，電渣重熔可提高原材料的純凈度和機(jī)械性能。

(2)鍛造工藝優(yōu)化建議。鍛錘要有足夠的噸位，至少大于6 t，以保證齒坯的整個(gè)截面鍛透，使缺陷能夠被打碎。

(3)探傷優(yōu)化建議。由于超聲波探傷存在局限性，缺陷產(chǎn)生的部位及其方向、分布位置都能影響探傷結(jié)果。嚴(yán)格中齒軸超聲波探傷要求，將齒部區(qū)域使用的單晶探頭更換為雙晶探頭，單個(gè)缺陷最大允許當(dāng)量值為?1 mm，不允許有連續(xù)條狀缺陷，相鄰密集區(qū)域間距不得小于130 mm。

(4)滾刀優(yōu)化建議。中齒軸采用全圓弧凸角留磨滾刀，增大齒根過(guò)渡圓弧，可以減小應(yīng)力集中，增強(qiáng)齒輪抗彎曲強(qiáng)度[5]。

(5)表面強(qiáng)化建議。中齒軸增加噴丸強(qiáng)化工藝可帶來(lái)如下變化：①引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，表面殘余壓應(yīng)力可超過(guò)-1 000 MPa，殘余壓應(yīng)力深度在300 μm以上；②形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)；③殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變；④表面粗糙度改變。其中噴丸殘余壓應(yīng)力場(chǎng)、形變細(xì)化組織結(jié)構(gòu)及噴丸馬氏體相變，均可提高齒輪的疲勞壽命。

5 結(jié)論

綜上分析，中齒軸斷齒是由于輪齒中部距工作表面約4 mm處的夾渣類(lèi)原材料缺陷導(dǎo)致了早期的疲勞斷裂。上文推薦的各項(xiàng)建議均在實(shí)踐中取得了良好效果。