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          北京物流信息聯盟

          輸出齒輪軸斷齒分析

          熱處理生態圈 2022-07-26 10:23:06

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          作者:陳潤松,姜永升,李忙,于建英

          單位:中車北京南口機械有限公司

          來源:《金屬加工(熱加工)》雜志


          風電齒輪箱用輸出齒輪軸,運行一段時間后發生多齒折斷,齒面出現大面積金屬剝落,受損情況嚴重,如圖1所示。該齒輪材質為18CrNiMo7-6,加工工藝為正火→滾齒→滲碳+淬火→低溫回火→磨齒。


          1.試驗材料及方法

          (1)宏觀分析

          圖2可以看出在齒面一側節線附近存在較大面積大塊金屬剝落現象,剝落坑較大且深,且邊緣輪廓較清晰但是形狀不規則,凹坑斷口較光滑,可見疲勞弧線。



          (2)齒輪未受損區金相分析

          顯微組織(顯微組織按TB/T 2254評定),如圖3~圖5所示??梢钥闯鲈撦敵鲚S齒輪表面組織(2級)與心部組織(6級)均符合技術標準要求。但是其齒面和齒根位置存在嚴重的網狀碳化物,經過測量在齒面處的網狀碳化物深度為0.4mm。依據TB/T 2254測得該碳化物級別為5級,不符合技術標準要求。嚴重的網狀碳化物的存在會使滲層變脆,影響到齒輪的使用壽命。



          硬度和硬化層深度,見表1,由結果可以看出該輸出軸齒輪的硬度和硬化層深度均符合技術標準要求。

          硬度和硬化層深檢驗表

          位置

          齒根

          節圓

          齒頂

          表面硬度HRC

          58.5

          59.0

          59.0

          硬化層深度/mm

          2.1

          2.0

          2.5


          2.試驗結果與分析


          由圖5~圖10可以看出裂紋的方向大致平行,且在微裂紋萌生位置可以看到明顯的金屬塑性流動,裂紋方向與塑性流動方向一致。且在節線處可以看出表面組織存在分層現象,經過分析存在3個層次,表層白亮區為淬火馬氏體組織,相鄰為回火區,再向里為正常的滲層組織。






          由上述結果可以判斷齒面金屬剝落形成原因可分成四個階段。第一階段首先在齒面出現沿著滑動摩擦力方向的塑性流動,愈靠近表層,塑性變形愈嚴重。第二階段在塑性變形的薄弱區出現沿著塑性流動方向初始裂紋,并有向深處擴展的趨勢。第三階段為初始裂紋的擴展,當潤滑油油進入裂紋后被封住, 產生很大油壓, 使裂紋擴展,最終形成麻點剝落。第四階段為剝落坑繼續擴大。


          裂紋產生取決于應力分布及相應部位材料的抗力,在有相對滑動的條件下,在齒面切應力和摩擦力共同作用下產生微裂紋。經分析該輸出齒輪軸的微裂紋形成方向與摩擦力方向一致,可見摩擦力對輪齒表面裂紋的形成起重要作用。正常情況下齒面在嚙合區應存在潤滑油膜,這樣會大大降低輪齒間的摩擦力,起到潤滑冷卻作用。而圖10所示區域組織表明齒輪在運行過程中節線處受到了高溫淬回火,而該高溫只能來自于摩擦熱,說明輸出軸齒輪在實際工作中潤滑冷卻嚴重不足。同時該處組織也會降低材料表面塑性抗力,降低其接觸疲勞強度,加速了裂紋的形成。


          在整個嚙合過程中,由于輪齒表面出現了金屬剝落,使齒輪接觸的精度和準確性下降,在傳動過程中造成輪齒局部受載不均勻。同時點蝕和剝落的存在使齒輪的嚙合扭轉剛度減小,在接觸位置輪轂扭矩不變的情況下,使輪齒的扭轉角度變大,其中輪齒在節線附近嚙合時扭轉角度最大。最終影響齒輪配合,造成個別輪齒過載斷裂。


          3.結語


          (1)潤滑不良和冷卻的不足,使齒面嚙合部位存在較大摩擦力,是此次輸出軸齒輪齒面金屬剝落形成的主要原因,最終導致個別輪齒過載折斷。


          (2)輪齒表面存在較嚴重的網狀碳化物,會使滲層變脆,表面接觸疲勞強度降低,影響齒輪的使用壽命。建議加強對熱處理過程控制,減少網狀碳化物的形成。



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