聚合物輸送用齒輪泵斷齒失效分析

張旭東 楊林杰 曹延軍 周晨光 孔陽(yáng)陽(yáng)

（鄭州機(jī)械研究所有限公司）

聚合物輸送用齒輪泵作為擠出系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備， 在介質(zhì)輸送過(guò)程中具有增壓、穩(wěn)壓、控制壓力波動(dòng)從而降低制品的尺寸公差、減少擠出機(jī)的能耗等作用［1］。 因此，齒輪泵的運(yùn)行狀況直接關(guān)系著生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

某公司于2020年11月投入使用3套擠出系統(tǒng)，該擠出系統(tǒng)包括擠出機(jī)、齒輪泵及過(guò)濾器等設(shè)備。2021年2月和4月，3#生產(chǎn)線擠出機(jī)出現(xiàn)螺桿調(diào)整墊斷裂、部分脫落，螺桿上螺塊外緣受到磨損，齒牙損傷的情況。 兩次調(diào)整墊斷裂都伴隨著后續(xù)工序中輸送用齒輪泵輪齒出現(xiàn)斷裂情況。 事后經(jīng)調(diào)取設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行趨勢(shì)圖察看，發(fā)現(xiàn)齒輪泵在損壞前無(wú)異常信號(hào)且運(yùn)行平穩(wěn)， 因此，筆者針對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行失效分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀斷口檢驗(yàn)

斷齒失效的齒輪軸如圖1所示， 由圖1a可以看到兩根齒輪軸的一側(cè)齒發(fā)生了嚴(yán)重的斷齒（圖1b）。

圖1 斷齒失效的齒輪軸

經(jīng)對(duì)齒輪軸和斷齒進(jìn)一步的觀察分析可知：

a. 齒輪損壞的形式主要是斷齒，斷裂方向與齒輪軸軸線有一定夾角，從齒頂?shù)烬X根，最終在齒根處發(fā)生斷裂（圖2）；

圖2 齒輪軸斷齒部位

b. 斷裂齒輪表面和斷齒均有異常擠壓的痕跡（圖3）；

圖3 斷齒受擠壓變形狀態(tài)

c. 未發(fā)生損壞的齒輪，齒面無(wú)異常接觸磨損 痕跡。

如圖4所示， 由于齒輪斷面附著一層工作介質(zhì)且無(wú)法清洗，所以無(wú)法利用掃描電鏡進(jìn)行斷口的微觀形貌觀察。 從宏觀方面對(duì)斷口進(jìn)行分析，判斷輪齒的斷裂形式屬于脆性斷裂。

圖4 齒輪斷口宏觀形貌

1.2 材料化學(xué)成分檢測(cè)

金屬的化學(xué)成分組成在很大程度上決定了材料的各項(xiàng)性能，因此可采取一定的技術(shù)方法對(duì)材料成分進(jìn)行分析， 從而監(jiān)控零部件的產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也能夠?yàn)榱悴考氖г蛱峁﹨⒖迹?］。在失效齒輪上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。 由表1可知，失效齒輪的材質(zhì)符合GB/T 1220—2007 中 對(duì)9Cr18MoV 材 料 的 要 求。9Cr18MoV作為較常用的一種不銹鋼，用于制造工作在腐蝕環(huán)境、強(qiáng)氧化氣氛中的零部件，經(jīng)過(guò)退火、再結(jié)晶退火、淬火及回火等一系列熱處理工藝，使其馬氏體組織具有較高的硬度和較強(qiáng)的耐蝕性。

表1 齒輪軸的化學(xué)成分

1.3 硬度及金相組織檢驗(yàn)

硬度作為衡量金屬材料彈性、塑性及強(qiáng)度等力學(xué)性能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)， 體現(xiàn)了抵抗彈性變形、塑性變形或者破壞的能力［3］。在斷齒上進(jìn)行取樣，依據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》采用硬度計(jì)對(duì)齒輪試樣的齒面硬度和心部硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，檢測(cè)結(jié)果均符合技術(shù)要求。

表2 齒輪試樣硬度檢測(cè)結(jié)果

金相組織檢驗(yàn)主要是應(yīng)用金相學(xué)方法來(lái)檢查金屬材料的宏觀和顯微組織，對(duì)金屬和合金成分、性能的分析提供重要依據(jù)，通過(guò)金相檢驗(yàn)?zāi)軌蚴志唧w地分析出材料結(jié)構(gòu)、成分和性能這三者之間的聯(lián)系［4］。筆者進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)的目的，一方面是為了判斷齒輪軸的熱處理工藝是否正常，另一方面能夠根據(jù)齒輪軸失效部位上的裂紋特征和裂紋兩側(cè)的顯微組織來(lái)判斷出裂紋的性質(zhì)，有利于研究人員在生產(chǎn)制造過(guò)程中對(duì)材料顯微組織和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的確定和控制，從而得到理想的材料性能。

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)齒輪進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)磨制、拋光和浸蝕后，利用金相顯微鏡觀察節(jié)圓表面、齒根表面、心部和斷口位置， 圖5為對(duì)應(yīng)4個(gè)部位的顯微組織形貌。

圖5 齒輪試樣顯微組織形貌

觀察檢測(cè)部位的金相組織照片， 分析得9Cr18MoV的4個(gè)檢測(cè)部位的金相組織均為隱針馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀二次碳化物和塊狀共晶碳化物。 隱針馬氏體通常為在生產(chǎn)中快速加熱或快速冷卻條件下而得到的小到無(wú)法用光學(xué)顯微鏡分辨的馬氏體［5］。 殘留奧氏體是淬火過(guò)程中未能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而保留下來(lái)的奧氏體，少量的殘留奧氏體能夠提高材料的強(qiáng)度和韌性，但是過(guò)多會(huì)顯著降低材料的耐磨性能。 細(xì)小的顆粒為材料在高溫冷卻時(shí)奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變前析出的碳化物。 白色塊狀為共晶碳化物，這種金相組織使該齒輪具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性。

通過(guò)對(duì)齒輪的金相組織進(jìn)行內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在齒輪熱處理后塊狀共晶碳化物存在輕微聚集，這種聚集情況在齒輪受力時(shí)可能會(huì)引起局部應(yīng)力集中問(wèn)題。

2 分析與討論

通過(guò)分析聚合物輸送用齒輪泵的工作原理和實(shí)際工況，結(jié)合斷裂齒輪的宏觀和微觀斷口形貌，分析輪齒斷裂的原因主要是齒輪泵在傳遞介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中存在堅(jiān)硬的異物（螺桿調(diào)整墊破損件）， 導(dǎo)致主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間嚙合過(guò)程中齒輪受到擠壓，產(chǎn)生極大的應(yīng)力從而導(dǎo)致斷齒。

齒輪斷齒的具體過(guò)程如下：螺栓或硬物掉入螺桿傳動(dòng)中， 使得擠出機(jī)螺桿調(diào)整墊發(fā)生斷裂、部分脫落， 脫落物隨著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)混入介質(zhì)中，由于未及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行清理，脫落物隨介質(zhì)進(jìn)入齒輪泵的齒輪嚙合處，導(dǎo)致齒輪泵主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪在嚙合時(shí)有堅(jiān)硬的異物卡死在齒輪嚙合面，隨著輪齒不斷嚙合而使其表面受到擠壓變形，由于齒輪齒面硬度和心部硬度相同，且硬度較高，韌性較差，齒輪泵輸入端的扭矩持續(xù)增加，最終齒面受到的應(yīng)力超過(guò)了齒輪的抗剪切屈服強(qiáng)度極限，在受彎曲應(yīng)力最大的部位——齒根處發(fā)生脆性斷裂，即斷齒，最終導(dǎo)致輸送用齒輪泵設(shè)備失效，整個(gè)擠出系統(tǒng)停機(jī)檢修。

3 結(jié)論及建議

經(jīng)分析可知，擠出系統(tǒng)中的螺桿調(diào)整墊斷裂導(dǎo)致脫落物隨介質(zhì)輸送到齒輪嚙合處，導(dǎo)致嚙合面受到應(yīng)力產(chǎn)生擠壓變形，超過(guò)了抗剪切屈服強(qiáng)度極限，輪齒發(fā)生脆性斷裂而停機(jī)。 此外，材料內(nèi)部存在輕微聚集的塊狀共晶碳化物也會(huì)使齒輪在嚙合過(guò)程中引起局部應(yīng)力集中從而加速導(dǎo)致齒輪泵的失效。

建議加強(qiáng)設(shè)備的巡檢與維護(hù)工作，加強(qiáng)對(duì)員工的操作技能培訓(xùn)，注意觀察各零部件的危險(xiǎn)部位；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況采用材質(zhì)更優(yōu)的螺桿調(diào)整墊從而避免再次發(fā)生斷裂； 完善齒輪熱處理工藝，避免塊狀共晶碳化物的聚集。

聚合物輸送用齒輪泵出現(xiàn)的故障原因較多，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中需從多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為聚合物輸送用齒輪泵斷齒失效分析提供了寶貴的案例， 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。