减速机高速齿轮轴断裂失效分析

孟繁盛

摘  要：减速机是现代企业生产过程中用途比较大的一种机械设备，如果发生故障付给企业生产带来严重损失。某企业在生产过程中减速机高速齿轮轴出现了断裂现象，针对这一问题相关技术人员进行了专业的检测与分析后，确定了故障原因，进而制定了相应的解决处理措施，恢复了减速机的性能。

关键词：减速机;高速齿轮;断裂;检测;故障

某生产企业所用减速机高速轴突然产生早期断裂现象，通过现场查看可知，电机和减速机间的耦合器均已完全脱离，且壳体破碎，其它和这一高速轴一同参与运转的齿轮轴，均在事故产生之后发生不同程度的弯曲变形。此高速轴属于典型的齿轮轴，发生断裂后齿面依然保持完好，未发生变形与断齿。现围绕这一减速机高速轴实际情况，对其断裂失效作如下深入分析。

1对高速齿轮轴断裂情况进行检测

1.1减速机高速齿轮的基础资料

基础资料的收集是进行减速机高速齿轮轴断裂检测工作的重要基础，对后续检测工作的正常开展，以及得到准确的检测结果均有重要作用和意义，应引起相关人员的重视。此次研究的主要对象为3C710NE型减速机，其速比、输入功率和输入转速分别为1：2.034、710kW和741r/min。根據生产单位提交的相关工艺图纸，其硬度需要达到59-62HRC的要求[1]。

1.2对齿轮成分的检测

对于该减速机，其高速齿轮轴以17CrNiMo6钢为主要原材料，在取样后，用光谱测定仪与碳硫仪进行成分含量测定，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%。通过对相关资料的查证可知，该原材料为德国牌号，成分方面的技术要求为：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、磷含量不得小于0.025%、硫含量不得小于0.025%、铬含量在1.50～1.80%范围内、镍含量在1.40～1.70%范围内、钼含量在0.25～0.35%范围内。通过对比可知，该件硫、磷等元素含量满足技术要求[2]。

1.3对主要夹杂物的检测

取样后将其加热到900℃，恒温保持45min之后，随炉冷却处理后金相制样观测，并和现行标准进行对比与综合评价。经评价，该件夹杂等级为1，可以满足技术要求。

1.4对主要力学性能检测

为对该件原材料各项力学性能进行检测，通过线切割制得拉伸试样与冲击试样。其中，拉伸试样属于非标准形式的板状试样，其截面面积为4mm×10mm;而冲击试样则属于U型缺口形式的试样。

从测试结果中可以看出，该件原材料在热处理后，通过和相关资料的比对，在所有力学性能当中：塑性指标相对较好，有较强冲击韧性，且断裂极限处在正常状态，但屈服极限指标相对较低。采用经验公式，可对疲劳极限进行估算，结果为424.4MPa。此外，在轴键槽的根部，其半径相对较小，有应力集中现象，承担极大拉应力，若未对其进行有效处理，将产生疲劳裂缝，最终导致早期失效[3]。

1.5HRC检测

对轴内截面与外柱面进行取样检测，其结果为：外柱面的硬度分别为35、33.5、38、37、37、36.8、37、35.8，平均值为36.2;内截面分三个区域，截面边缘的硬度分别为34.5、33.0、33.3、33.9，平均值为33.7;过渡区域的硬度分别为34.5、34.0、36.0、34.5、35.5，平均值为34.9;截面心部的硬度分别为36.0、36.0、36.0、37.5、38.0，平均值为36.7。从以上结果可以看出，该件硬度为35-38HRC，未能达到要求，即59-62HRC，而且和其它相关资料提出的要求也有很大差距。

2减速机高速齿轮轴断裂宏、微观分析

2.1宏观分析

宏观分析是指人员利用肉眼对高速轴进行观察，根据自身经验确定高速轴基本情况，找出异常和特征处所在。虽然断口的擦伤破坏已经十分严重，但在从断裂特征可以看出，并不存在在发生断裂前有较大塑性变形现象的痕迹，在宏观特性方面，可将其定义成脆性断裂。对件进行取样测试后得知，屈服极限相对较低，但塑性指标与冲击韧性却依然良好，而断裂过程中，韧、塑性并未充分体现，说明疲劳断裂和断裂特征完全相符，无法支持瞬间断裂。通过对断口的观察，可发现其具有显著的疲劳断裂特点，即疲劳贝纹线，而疲劳贝纹线的所在区域就是裂纹主要萌生区。

2.2显微组织分析

对件的表面与心部进行取样观察和分析，处在轴表面和心部的组织并无本质上的差别，这说明表面上不存在进行过热处理的痕迹。基于此，还对显微硬度进行了检测，同样未能发现明显差异。

2.3显微硬度检测

对件外表面上的横截面进行取样检测，从检测结果可以看出，件表面、心部和过渡层三部分的显微硬度没有明显差异，不存在进行过热处理的痕迹。

2.4微观分析

微观分析是指利用专门的仪器对高速轴上肉眼无法观察的部分进行仔细分析。在实际的分析过程中，为验证件的疲劳特性，对断口实施分截与切割，对处在裂纹区域的部位实施扫描分析，由此可以观察到塑性疲劳条纹，说明该件失效于疲劳断裂。

3减速机高速齿轮轴断裂失效原因与处理

通过细致、全面的断口分析，此减速器高速轴发生的断裂，在方式上主要为疲劳断裂，同时断口上存在若干疲劳裂纹源。除此之外，对该件所用原材料各项性能进行检测，检测结果显示其屈服极限相对较低，并对件的硬度进行检测，未发现此件有进行过热处理的明显痕迹，也未能达到预期的硬度要求，表面强度难以达到规范要求，导致在表面和键槽等处产生一定数量的疲劳裂缝源，缩短其使用寿命，最终产生疲劳破坏。需要注意的是，此高速轴属于典型的齿轮轴，发生断裂后，齿面依然保持完好，未发生变形与断齿，同时也不支持瞬间断裂。其它和这一高速轴一同参与运转的齿轮轴，均在事故产生之后发生不同程度的弯曲变形，推测产生在高速轴发生疲劳断裂以后，与之相连的耦合器壳体由于离心力相对较大而被直接甩出的过程当中。与此同时，在发生破坏的具体过程中，液力耦合器外壳和高速轴的断面产生一定擦碰挤压作用，致使断口出现严重的破坏，但被取走的部分，由于在壳轴套中得以有效保护，所以未发生严重破坏。

4结论

通过以上分析，可得出下列结论：

（1）此减速器高速轴发生断裂的主要方式属于多源式疲劳断裂，是脆性断裂的一种，通过观察，主裂纹源产生在键槽上的受力面;

（2）通过检测，减速器高速轴主要原材料各类成分含量与夹杂物含量及级别都能满足现行技术规范和标准的具体要求;

（3）经检测，此减速器高速轴表面硬度仅有35～38HRC，而内部硬度也只有36～38HRC。对于表面硬度，未能满足生产方提出的必须达到59～62HRC的具体要求，同时也未能检测到在表面采用了硬化层，说明其硬化处理不到位;

（4）此减速器高速轴的所有力学性能当中，仅屈服极限相对较低，此轴键槽根部处于工作状态时，将承担很大的拉应力，且这一拉应力为集中分布形式，若未对其进行及时有效的处理，则将在此处产生疲劳裂纹，导致此减速器高速轴彻底失效。

参考文献

[1]苏发龙.减速机高速齿轮轴断齿及断轴分析与对策[J].中国设备工程，2017（21）：129～131.

[2]李运生，楼天明，许安心.回转窑主减速机高速齿轮轴断齿、断轴分析与对策[J].浙江冶金，2014（01）：27～31.

[3]马醇三，孙润冬，王晓明，邱开慧.F1轧机减速箱高速齿轮轴断齿分析[J].中国设备工程，2013（05）：37～39.