齿轮减速机输入轴断裂故障的原因及处理

文章出处：宝泰网络部人气：69发表时间：2020-04-15

　　某制造企业使用的齿轮减速器的高速轴在早期突然断裂。通过现场检查，可以看出电机与减速机之间的联轴器已经完全分离，外壳已经破裂。事故发生后，参与该高速轴运行的其他齿轮轴都有不同程度的弯曲变形。这种高速轴属于典型的齿轮轴，断裂后齿面仍然完整，没有变形或断齿。根据该减速器高速轴的实际情况，对断裂失效进行分析如下。

　　1齿轮减速器高速齿轮轴断裂检测1.1基础数据采集基础数据采集是齿轮减速器输入轴断裂检测的重要依据。对于后续检测工作的正常开展和获得准确的检测结果具有重要的作用和意义，应引起相关人员的重视。本研究的主要对象是3C710NE减速器，其速比、输入功率和输入速度分别为1: 2.034、710kW和741r/min。根据生产单位提交的相关工艺图纸，其硬度需要满足59-62HRC的要求。

　　高速齿轮轴断裂

　　1.2主要部件的确定对于该减速器，输入轴采用17CrNiMo6钢作为主要原材料。取样后，通过光谱分析仪和碳硫分析仪测定组分含量。测定结果为：碳含量0.18%，锰含量0.57%，硅含量0.27%，磷含量0.011%，硫含量0.003%，铬含量1.73%，镍含量1.55%，钼含量0.28%。通过相关数据的验证，可以看出该原料为德国品牌，对成分的技术要求为：碳含量在0.15-0.19%范围内，锰含量在0.40-0.60%范围内，硅含量在0.15-0.40%范围内，磷含量不低于0.025%，硫含量不低于0.025%，铬含量在1.50-1.80%范围内，镍含量在1.40-1.80%范围内通过对比可以看出，该件中硫、磷等元素的含量符合技术要求。

　　1.3主要夹杂物检测取样后，加热至900，恒温45分钟。经炉内冷却后，观察金相样品，并与现行标准进行比较，进行综合评价。经评定，该件夹杂等级为1级，能够满足技术要求。

　　1.4主要机械性能测试是测试该件原材料的各种机械性能。拉伸样品和冲击样品通过线切割制备。其中，拉伸试样是非标准形式的板状试样，横截面积为4mm10mm；冲击试样属于U形缺口试样。从试验结果可以看出，经过热处理后，该件的原材料具有较好的塑性指数、较强的冲击韧性、正常的断裂极限，但与相关数据相比屈服极限指数相对较低。疲劳极限可由经验公式估算，结果为424.4兆帕。此外，轴键槽根部半径较小，应力集中，承受较大拉应力。如果不进行有效处理，就会出现疲劳裂纹，最终导致早期失效。1.5 HRC测试对轴的内部和外筒进行取样。结果表明，外筒的硬度分别为35、33.5、38、37、37、36.8、37和35.8，平均值为36.2。内断面分为三个区域，断面边缘硬度分别为34.5、33.0、33.3和33.9，平均值为33.7。过渡区的硬度分别为34.5、34.0、36.0、34.5和35.5，平均值为34.9。横截面心部硬度分别为36.0、36.0、36.0、37.5和38.0，平均值为36.7。从以上结果可以看出，该件硬度为35-38HRC，不符合要求，即59-62HRC，与其他相关材料提出的要求也有很大差距。

　　输入轴断裂的原因

　　2减速机高速齿轮轴断裂的宏观和微观分析2.1宏观分析宏观分析是指人员用肉眼观察高速轴，根据自己的经验判断高速轴的基本情况，找出异常情况和特征。虽然断口上的划痕损伤已经很严重，但从断口特征可以看出，在断裂发生前没有大的塑性变形痕迹，从宏观特征上可以定义为脆性断裂。试样试验表明，屈服极限相对较低，但塑性指数和冲击韧性仍然较好，韧性和塑性在断裂过程中没有得到充分体现，表明疲劳断裂和断裂特征完全一致，不能支持瞬时断裂。通过观察断口，可以发现其具有明显的疲劳断裂特征，即疲劳贝纹线，疲劳贝纹线所在区域是主要的裂纹萌生区域。

　　2.2微观结构分析样品取自工件表面和心部进行观察和分析。轴向表面上的组织与心部，的组织没有本质区别，这表明表面上没有过热处理的痕迹。在此基础上，还测试了显微硬度，没有发现明显的差异。2.3显微硬度测试对零件外表面的横截面进行取样和测试。从试验结果可以看出，零件表面、心部和过渡层的显微硬度没有明显差异，也没有过热处理的痕迹。2.4微观分析微观分析是指用特殊仪器对高速轴上肉眼无法观察到的零件进行仔细分析。在实际分析过程中，为了验证零件的疲劳特性，对断裂面进行了真实的施分截和切割，并对位于裂纹区域的零件进行了扫描分析，从而可以观察到塑性疲劳条纹，表明该零件发生了疲劳断裂失效。

　　减速器高速齿轮轴断裂失效的原因及处理通过细致全面的断裂分析，减速器高速齿轮轴的断裂主要是疲劳断裂，断裂处有多个疲劳裂纹源。此外，还测试了该产品所用原材料的各种性能。试验结果表明，其屈服极限相对较低，并对其硬度进行了测试。在该工件上没有发现明显的过热处理痕迹，也没有达到预期的硬度要求。表面强度难以满足规范要求，导致表面和键槽产生一定数量的疲劳裂纹源，缩短其使用寿命，最终造成疲劳损伤。应该注意的是，这个高速轴是一个典型的齿轮轴。断裂后，齿面仍保持完整，无变形和断齿，不支持瞬时断裂。事故发生后，与该高速轴一起参与运行的其他齿轮轴都经历了不同程度的弯曲变形。据推测，在高速轴经受疲劳断裂之后，连接到高速轴的联轴器壳体由于相对较大的离心力而被直接抛出。同时，在具体的损坏过程中，液力偶合器壳体与高速轴的截面产生了一定的摩擦和挤压作用，导致严重的断裂损坏，但被拆下的部分并没有严重损坏，因为它被有效地保护在壳体套筒中。

　　断裂失效的原因

　　结论通过以上分析，可以得出以下结论：(1)减速器高速轴的主要断裂方式为多源疲劳断裂，为脆性断裂。通过观察，主裂纹源产生在键槽的应力面上；(2)经检测，减速机高速轴主要原材料中各种成分和夹杂物的含量及其等级能够满足现行技术规范和标准的具体要求；(3)经测试，减速器高速轴表面硬度仅为35-38 HRC，内部硬度仅为36-38 HRC。就表面硬度而言，未能满足制造商的具体要求，即硬度必须达到59~62HRC。同时，未能检测到表面硬化层的使用，表明硬化处理不到位。(4)在减速器高速轴的所有力学性能中，只有屈服极限相对较低。当轴键槽根部处于工作状态时，会承受较大的拉应力，这种拉应力以集中分布的形式存在。如果不及时有效地进行处理，疲劳裂纹就会出现在这里，导致减速器高速轴完全失效。

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