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输出齿轮轴断齿分析

来源:高频焊机|中频熔炼炉|熔铜炉|高频淬火机  浏览:865 views  发布时间:2017-07-17

风电齿轮箱用输出齿轮轴,运行一段时间后发生多齿折断,齿面出现大面积金属剥落,受损情况严重,如图1所示。该齿轮材质为18CrNiMo7-6,加工工艺为正火→滚齿→渗碳+淬火→低温回火→磨齿。

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1.试验材料及方法
(1)宏观分析
图2可以看出在齿面一侧节线附近存在较大面积大块金属剥落现象,剥落坑较大且深,且边缘轮廓较清晰但是形状不规则,凹坑断口较光滑,可见疲劳弧线。
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(2)齿轮未受损区金相分析
显微组织(显微组织按TB/T 2254评定),如图3~图5所示。可以看出该输出轴齿轮表面组织(2级)与心部组织(6级)均符合技术标准要求。但是其齿面和齿根位置存在严重的网状碳化物,经过测量在齿面处的网状碳化物深度为0.4mm。依据TB/T 2254测得该碳化物级别为5级,不符合技术标准要求。严重的网状碳化物的存在会使渗层变脆,影响到齿轮的使用寿命。
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2.试验结果与分析

由图5~图10可以看出裂纹的方向大致平行,且在微裂纹萌生位置可以看到明显的金属塑性流动,裂纹方向与塑性流动方向一致。且在节线处可以看出表面组织存在分层现象,经过分析存在3个层次,表层白亮区为淬火马氏体组织,相邻为回火区,再向里为正常的渗层组织。
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由上述结果可以判断齿面金属剥落形成原因可分成四个阶段。第一阶段首先在齿面出现沿着滑动摩擦力方向的塑性流动,愈靠近表层,塑性变形愈严重。第二阶段在塑性变形的薄弱区出现沿着塑性流动方向初始裂纹,并有向深处扩展的趋势。第三阶段为初始裂纹的扩展,当润滑油油进入裂纹后被封住, 产生很大油压, 使裂纹扩展,最终形成麻点剥落。第四阶段为剥落坑继续扩大。

裂纹产生取决于应力分布及相应部位材料的抗力,在有相对滑动的条件下,在齿面切应力和摩擦力共同作用下产生微裂纹。经分析该输出齿轮轴的微裂纹形成方向与摩擦力方向一致,可见摩擦力对轮齿表面裂纹的形成起重要作用。正常情况下齿面在啮合区应存在润滑油膜,这样会大大降低轮齿间的摩擦力,起到润滑冷却作用。而图10所示区域组织表明齿轮在运行过程中节线处受到了高温淬回火,而该高温只能来自于摩擦热,说明输出轴齿轮在实际工作中润滑冷却严重不足。同时该处组织也会降低材料表面塑性抗力,降低其接触疲劳强度,加速了裂纹的形成。

在整个啮合过程中,由于轮齿表面出现了金属剥落,使齿轮接触的精度和准确性下降,在传动过程中造成轮齿局部受载不均匀。同时点蚀和剥落的存在使齿轮的啮合扭转刚度减小,在接触位置轮毂扭矩不变的情况下,使轮齿的扭转角度变大,其中轮齿在节线附近啮合时扭转角度最大。最终影响齿轮配合,造成个别轮齿过载断裂。

3.结语

(1)润滑不良和冷却的不足,使齿面啮合部位存在较大摩擦力,是此次输出轴齿轮齿面金属剥落形成的主要原因,最终导致个别轮齿过载折断。

(2)轮齿表面存在较严重的网状碳化物,会使渗层变脆,表面接触疲劳强度降低,影响齿轮的使用寿命。建议加强对热处理过程控制,减少网状碳化物的形成。

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