孟繁盛
摘 ?要:減速機(jī)是現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中用途比較大的一種機(jī)械設(shè)備,如果發(fā)生故障付給企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。某企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中減速機(jī)高速齒輪軸出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象,針對(duì)這一問(wèn)題相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了專業(yè)的檢測(cè)與分析后,確定了故障原因,進(jìn)而制定了相應(yīng)的解決處理措施,恢復(fù)了減速機(jī)的性能。
關(guān)鍵詞:減速機(jī);高速齒輪;斷裂;檢測(cè);故障
某生產(chǎn)企業(yè)所用減速機(jī)高速軸突然產(chǎn)生早期斷裂現(xiàn)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看可知,電機(jī)和減速機(jī)間的耦合器均已完全脫離,且殼體破碎,其它和這一高速軸一同參與運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪軸,均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形。此高速軸屬于典型的齒輪軸,發(fā)生斷裂后齒面依然保持完好,未發(fā)生變形與斷齒?,F(xiàn)圍繞這一減速機(jī)高速軸實(shí)際情況,對(duì)其斷裂失效作如下深入分析。
1對(duì)高速齒輪軸斷裂情況進(jìn)行檢測(cè)
1.1減速機(jī)高速齒輪的基礎(chǔ)資料
基礎(chǔ)資料的收集是進(jìn)行減速機(jī)高速齒輪軸斷裂檢測(cè)工作的重要基礎(chǔ),對(duì)后續(xù)檢測(cè)工作的正常開展,以及得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果均有重要作用和意義,應(yīng)引起相關(guān)人員的重視。此次研究的主要對(duì)象為3C710NE型減速機(jī),其速比、輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速分別為1:2.034、710kW和741r/min。根據(jù)生產(chǎn)單位提交的相關(guān)工藝圖紙,其硬度需要達(dá)到59-62HRC的要求[1]。
1.2對(duì)齒輪成分的檢測(cè)
對(duì)于該減速機(jī),其高速齒輪軸以17CrNiMo6鋼為主要原材料,在取樣后,用光譜測(cè)定儀與碳硫儀進(jìn)行成分含量測(cè)定,測(cè)定結(jié)果為:碳含量0.18%、錳含量0.57%、硅含量0.27%、磷含量0.011%、硫含量0.003%、鉻含量1.73%、鎳含量1.55%、鉬含量0.28%。通過(guò)對(duì)相關(guān)資料的查證可知,該原材料為德國(guó)牌號(hào),成分方面的技術(shù)要求為:碳含量在0.15~0.19%范圍內(nèi)、錳含量在0.40~0.60%范圍內(nèi)、硅含量在0.15~0.40%范圍內(nèi)、磷含量不得小于0.025%、硫含量不得小于0.025%、鉻含量在1.50~1.80%范圍內(nèi)、鎳含量在1.40~1.70%范圍內(nèi)、鉬含量在0.25~0.35%范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比可知,該件硫、磷等元素含量滿足技術(shù)要求[2]。
1.3對(duì)主要夾雜物的檢測(cè)
取樣后將其加熱到900℃,恒溫保持45min之后,隨爐冷卻處理后金相制樣觀測(cè),并和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比與綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)評(píng)價(jià),該件夾雜等級(jí)為1,可以滿足技術(shù)要求。
1.4對(duì)主要力學(xué)性能檢測(cè)
為對(duì)該件原材料各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)線切割制得拉伸試樣與沖擊試樣。其中,拉伸試樣屬于非標(biāo)準(zhǔn)形式的板狀試樣,其截面面積為4mm×10mm;而沖擊試樣則屬于U型缺口形式的試樣。
從測(cè)試結(jié)果中可以看出,該件原材料在熱處理后,通過(guò)和相關(guān)資料的比對(duì),在所有力學(xué)性能當(dāng)中:塑性指標(biāo)相對(duì)較好,有較強(qiáng)沖擊韌性,且斷裂極限處在正常狀態(tài),但屈服極限指標(biāo)相對(duì)較低。采用經(jīng)驗(yàn)公式,可對(duì)疲勞極限進(jìn)行估算,結(jié)果為424.4MPa。此外,在軸鍵槽的根部,其半徑相對(duì)較小,有應(yīng)力集中現(xiàn)象,承擔(dān)極大拉應(yīng)力,若未對(duì)其進(jìn)行有效處理,將產(chǎn)生疲勞裂縫,最終導(dǎo)致早期失效[3]。
1.5HRC檢測(cè)
對(duì)軸內(nèi)截面與外柱面進(jìn)行取樣檢測(cè),其結(jié)果為:外柱面的硬度分別為35、33.5、38、37、37、36.8、37、35.8,平均值為36.2;內(nèi)截面分三個(gè)區(qū)域,截面邊緣的硬度分別為34.5、33.0、33.3、33.9,平均值為33.7;過(guò)渡區(qū)域的硬度分別為34.5、34.0、36.0、34.5、35.5,平均值為34.9;截面心部的硬度分別為36.0、36.0、36.0、37.5、38.0,平均值為36.7。從以上結(jié)果可以看出,該件硬度為35-38HRC,未能達(dá)到要求,即59-62HRC,而且和其它相關(guān)資料提出的要求也有很大差距。
2減速機(jī)高速齒輪軸斷裂宏、微觀分析
2.1宏觀分析
宏觀分析是指人員利用肉眼對(duì)高速軸進(jìn)行觀察,根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)確定高速軸基本情況,找出異常和特征處所在。雖然斷口的擦傷破壞已經(jīng)十分嚴(yán)重,但在從斷裂特征可以看出,并不存在在發(fā)生斷裂前有較大塑性變形現(xiàn)象的痕跡,在宏觀特性方面,可將其定義成脆性斷裂。對(duì)件進(jìn)行取樣測(cè)試后得知,屈服極限相對(duì)較低,但塑性指標(biāo)與沖擊韌性卻依然良好,而斷裂過(guò)程中,韌、塑性并未充分體現(xiàn),說(shuō)明疲勞斷裂和斷裂特征完全相符,無(wú)法支持瞬間斷裂。通過(guò)對(duì)斷口的觀察,可發(fā)現(xiàn)其具有顯著的疲勞斷裂特點(diǎn),即疲勞貝紋線,而疲勞貝紋線的所在區(qū)域就是裂紋主要萌生區(qū)。
2.2顯微組織分析
對(duì)件的表面與心部進(jìn)行取樣觀察和分析,處在軸表面和心部的組織并無(wú)本質(zhì)上的差別,這說(shuō)明表面上不存在進(jìn)行過(guò)熱處理的痕跡?;诖?,還對(duì)顯微硬度進(jìn)行了檢測(cè),同樣未能發(fā)現(xiàn)明顯差異。
2.3顯微硬度檢測(cè)
對(duì)件外表面上的橫截面進(jìn)行取樣檢測(cè),從檢測(cè)結(jié)果可以看出,件表面、心部和過(guò)渡層三部分的顯微硬度沒(méi)有明顯差異,不存在進(jìn)行過(guò)熱處理的痕跡。
2.4微觀分析
微觀分析是指利用專門的儀器對(duì)高速軸上肉眼無(wú)法觀察的部分進(jìn)行仔細(xì)分析。在實(shí)際的分析過(guò)程中,為驗(yàn)證件的疲勞特性,對(duì)斷口實(shí)施分截與切割,對(duì)處在裂紋區(qū)域的部位實(shí)施掃描分析,由此可以觀察到塑性疲勞條紋,說(shuō)明該件失效于疲勞斷裂。
3減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效原因與處理
通過(guò)細(xì)致、全面的斷口分析,此減速器高速軸發(fā)生的斷裂,在方式上主要為疲勞斷裂,同時(shí)斷口上存在若干疲勞裂紋源。除此之外,對(duì)該件所用原材料各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果顯示其屈服極限相對(duì)較低,并對(duì)件的硬度進(jìn)行檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)此件有進(jìn)行過(guò)熱處理的明顯痕跡,也未能達(dá)到預(yù)期的硬度要求,表面強(qiáng)度難以達(dá)到規(guī)范要求,導(dǎo)致在表面和鍵槽等處產(chǎn)生一定數(shù)量的疲勞裂縫源,縮短其使用壽命,最終產(chǎn)生疲勞破壞。需要注意的是,此高速軸屬于典型的齒輪軸,發(fā)生斷裂后,齒面依然保持完好,未發(fā)生變形與斷齒,同時(shí)也不支持瞬間斷裂。其它和這一高速軸一同參與運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪軸,均在事故產(chǎn)生之后發(fā)生不同程度的彎曲變形,推測(cè)產(chǎn)生在高速軸發(fā)生疲勞斷裂以后,與之相連的耦合器殼體由于離心力相對(duì)較大而被直接甩出的過(guò)程當(dāng)中。與此同時(shí),在發(fā)生破壞的具體過(guò)程中,液力耦合器外殼和高速軸的斷面產(chǎn)生一定擦碰擠壓作用,致使斷口出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞,但被取走的部分,由于在殼軸套中得以有效保護(hù),所以未發(fā)生嚴(yán)重破壞。
4結(jié)論
通過(guò)以上分析,可得出下列結(jié)論:
(1)此減速器高速軸發(fā)生斷裂的主要方式屬于多源式疲勞斷裂,是脆性斷裂的一種,通過(guò)觀察,主裂紋源產(chǎn)生在鍵槽上的受力面;
(2)通過(guò)檢測(cè),減速器高速軸主要原材料各類成分含量與夾雜物含量及級(jí)別都能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的具體要求;
(3)經(jīng)檢測(cè),此減速器高速軸表面硬度僅有35~38HRC,而內(nèi)部硬度也只有36~38HRC。對(duì)于表面硬度,未能滿足生產(chǎn)方提出的必須達(dá)到59~62HRC的具體要求,同時(shí)也未能檢測(cè)到在表面采用了硬化層,說(shuō)明其硬化處理不到位;
(4)此減速器高速軸的所有力學(xué)性能當(dāng)中,僅屈服極限相對(duì)較低,此軸鍵槽根部處于工作狀態(tài)時(shí),將承擔(dān)很大的拉應(yīng)力,且這一拉應(yīng)力為集中分布形式,若未對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的處理,則將在此處產(chǎn)生疲勞裂紋,導(dǎo)致此減速器高速軸徹底失效。
參考文獻(xiàn)
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