传动齿轮断裂失效分析

胡青君

(上海烟草工业机械厂，上海  201206)

摘　要：采用金相和扫描电镜等分析方法，对失效齿轮进行了分析。结果表明，该齿轮在正常运行中产生断齿是由于该齿轮的基体材质、力学性能、化学成分和显微组织均未达到技术要求，加之齿轮表面存在缺陷所致。

关键词：基体材质；表面缺陷；齿轮；失效

1　引言

我厂生产的横包包装机，在某卷烟厂运行约3000h后，01机身的齿轮传动系统发生故障，其中有一齿轮齿部损坏特别严重。为了提高包装机运行的可靠性和稳定性，对该齿轮进行了失效分析。

2　检验

2.1　宏观分析

该断裂齿轮有连续11个齿冠被折断或部分折断，沿齿根断裂的断面因未被挤压而清晰可见，断口较粗糙、平整、没有闪烁的金属光泽，其它一些断面已受挤压，见图1。

图1　齿折断后断面形貌

在邻近断齿区域还发现部分齿的齿冠有明显的受压痕迹，有的齿根处已出现开裂，齿轮的内止口有明显变形、开裂等现象，见图2。同时齿面上有严重的点蚀剥落现象，见图3。

图2　齿顶受压后开裂及失圆形貌                       图3　齿面大量点蚀剥落形貌

　　在清理该传动系统的油路时，发现油路中有一些断齿的金属残留物，在有些残留物上可见到折断口，这些折断口大都可在齿轮的相应断口上找到吻合处，其中一件变形严重，判定其为第一根齿断落后在运转中受挤压而变形。

2.2　断口分析

用扫描电镜对上述变形严重的断齿断口进行观察分析，图4为其近表面区域的形貌，断口呈准解理和沿晶断裂，有明显塑性变形和撕裂棱，图的上端为断齿的外表面，该区域为断裂起始部位。图5为断齿中间部位的快速断裂区形貌，断口呈沿晶断裂，晶内为韧窝和准解理断裂，属混合型断口。断口上可见颗粒状夹杂物，在同一区域范围内还可见到孔洞及夹杂物。

   图4　断口近表面区域形貌　75×                   图5　断口中间区域形貌　225×

2.3　化学成分分析

在齿轮上取样进行化学成分分析，结果列于表1。

2.4　硬度测定

在齿轮上直接进行硬度测定，结果列于表2。

参照GB/T9439-1988中附录B(硬度与抗拉强度之间关系)，HT350的硬度范围约在200～205HB之间。

2.5　金相检验

取断齿试样在光学显微镜下观察，其基体中的石墨呈片状，按GB/T7216-1987评定，石墨形态为A型，石墨长度为4级(0.12～0.25mm)，见图6。基体组织为铁素体+极少量的珠光体，见图7。而HT350灰铸铁的正常组织是石墨形态为A型，石墨长度一般小于0.15mm，珠光体量在90%以上。由于断齿的基体组织中珠光体含量较少，导致其强度和硬度偏低，力学性能明显下降。

    图6　断齿抛光态组织形貌　75×                     图7　断齿基体组织形貌　75×

3　结果分析

从上述检验结果可知，该失效齿轮的材质均未达到HT350灰铸铁的技术要求。齿轮表面质量差，存在严重点蚀剥落，表明该齿轮在使用前已存在缺陷。在包装机频繁启动运行时，齿轮承受着交变冲击载荷，当齿轮材质的力学性能偏低，并存在组织和表面缺陷时，首先在有缺陷的齿根处形成微裂纹，并在运行过程中扩展，最后导致断裂。

4　结论

该齿轮的失效原因是由于齿轮材质未达到灰铸铁HT350的技术要求以及齿面存在缺陷所致。