550轧钢减速机齿轮失效分析
刘少军
邱建强
(广钢集团股份公司高速线材厂)
摘
要：高速线材厂的550(04H)轧钢减速机投人使用后不久，出现断齿失效。本文经理论计算及材料方面分析原因，为今后发生类似问题提供借鉴。
关键词：硬齿面；侧隙；接触强度；失效；齿轮
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前言
广钢高速线材厂设计生产规格Φ5～Φ14的建筑及拉丝用钢，年产量25～30万吨。2001年3月投产以后，550水平减速机第三级直径1.5米的大齿轮于2002年1月5日发生崩裂脱落，裂块弧长约1.4米，重约O.5吨，根部接近齿轮轴面，这样的设备事故在同行业都是非常罕见的。事故发生后，经过将近15小时的紧急抢修，拆下02H的大齿轮(成套)装在04H齿轮箱上，对轧辊孔型做相应的修改，跳空02
H机架进行生产。
以下根据齿轮失效情况进行理论计算及材料方面分析原因。
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分析齿轮失效形式
齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合等。根据发生崩裂脱落的情况来看，属于齿轮整体失效。齿轮整体失效是由于齿轮体积强度不够造成的。齿轮在载荷的作用下，其齿根部产生的弯曲应力最大，且在齿根过渡圆角处有应力集中，同时齿轮在转动过程中，使轮齿重复受载，在交变应力反复作用下，齿根处将产生疲劳裂纹，裂纹扩展，导致轮齿弯曲疲劳折断。针对该齿轮是闭式齿轮传动，按保证齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的两种计算准则进行计算。550水平减速机第三级齿轮传动有关技术参数见表1。
第111级传动齿轮设计为硬齿面HRC57～62，为保证齿轮有较高的齿面接触强度，采用较大的模数来提高弯曲强度，提高齿轮总体的承载能力。根据齿轮失效形式对550减速机的111级传动齿轮进行弯曲强度和接触疲劳强度计算，结果见表2。校核齿轮的设计条件是：使用寿命预期10年，每天工作24小时，一年300个工作日，传递400kW电机的转矩。
根据表2分析可知，无论m级传动齿轮的计算弯曲应力还是接触应力均低于许用的弯曲应力和接触应力，这就表明弯曲强度和接触强度均不是齿轮失效的原因。从该齿轮运行半年多的时间来看，运行平稳，振动响声不大，齿面无磨损现象，齿面接触也比较理想。为此可以证明上述结论是正确的。
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齿厚最小侧隙分析
对于闭式齿轮传动来说，齿面的润滑条件与齿面点蚀有直接关系。良好的润滑条件是根据齿轮的负载来选择足够精度的润滑油，而润滑油膜的形成要求齿轮副足够的侧隙。在抢修过程中，对该齿轮的侧隙进行了测定，测定结果最小侧隙为0.70mm，对中心距920mm的齿轮传动，许用最小侧隙为0.55mm(经验结果)。结果表明最小侧隙基本上能够满足润滑油膜的形成，平时齿轮的润滑状况也很理想，所以最小侧隙也不是造成这次齿轮折断的原因。
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齿轮材料系统分析
事故发生后，把该齿轮的样品送往广钢科技处理化检验中心对成分、硬度、渗碳层、金相组织进行系统分析，寻找事故发生的主要原因。
4.1成分分析
图纸材质20CrNi2Mo，按JB/T6395-92标准进行对照，结果见表3。
从化验结果可以看出，该齿轮Mn的含量高50%多，Ni的含量低300
% , Ni的含量严重不足，造成该齿轮脆性增大，而韧性降低，在重载的情况下，易发生轮齿折断。
4.2硬度分析
图纸设计要求齿面硬度HRC57～62，芯部硬度HRC33～42。由化验结果知:齿面HRC54.67，芯部HRC40.17。结果表明齿轮硬度没达到设计要求。
4.3渗碳层分析
图纸设计要求齿部渗碳淬火硬化层深2.3～3.Omm。检测位置见图1，其化验结果为：
①1.56mm
1.48nnn 1.32mm
②2.21mm
2.20mm 2.24mm
③1.6Rmm 2.OOmm 1.60mm
图1
齿面检测示意图
从齿轮三个不同位置检测及化验，结果表明无论齿面还是工作面、非工作面都没有达到设计要求，渗碳层的深浅，关系到齿轮的承载能力，该齿轮渗碳层的不足，在不同程度上降低了齿轮齿面接触强度和承载能力。
4.4齿轮金相分析(图2、图3、图4、图5)
图2齿面1纵向裂纹 150×
图3
齿面3纵向组织 780×
图4 齿面3纵向组织
780× 图5
齿横向裂纹图 780×
分别从图3、4可看出组织为回火马氏体十渗碳体+白色块状物，渗碳体有沿品介分布的想象，马氏体也比较粗大，这可能是在渗碳之后冷却速度比较缓慢，渗碳晶体沿晶界析出所造成的。从图2马氏体比较粗大可以看出淬火温度偏高。因此齿牙在外力作用下，这些区域就成为裂纹源，齿面不断受外力作用就形成了图2齿面1这样的裂纹，最后断口沿炭化物晶界断开，这与实物断口吻合。由图5可看出裂纹是有表及里沿晶界发展。另外，在检验中发现渗碳层有方形、三角形见图1那样的白色块状物在不浸蚀明场下观察它的颜色是呈浅桔红色，由于它的存在也会破坏基体的连续性。
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结论
从以上的分析结果看，此齿轮的热处理不当是造成齿轮折断的主要原因。其质量存在问题可归纳以下三点：
①材质降级；
②齿面硬度偏低；
③金相组织分布不均匀。
建议厂家在今后齿轮选材方面一定要符合设计所要求的材质，对热处理技术应进一步提高，避免齿轮失效的这类重大事故重复发生。
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