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立式高速泵齿轮断齿分析
王永庆
(航天材料工艺研究所 北京
100076)
摘
要：立式高速泵在进行出厂前水力试验时，低速轴上的大齿轮和中轴小齿轮的轮齿发生断裂。对齿轮材料的化学成分、金相组织、力学性能、齿轮硬化层深度及断口进行了分析。认为，齿轮轮齿断裂性质为疲劳断裂；断裂原因系工作时受力过大所致，所受力为脉动偏载力。
主题词：高速泵；断齿；疲劳；脉动；偏载力
1
概述
民用立式高速泵在进行出厂前水力试验中(转速为10200r/min，功率约132kw)，当运转约7h时，声音异常，于是紧急停车。检查结果，高速泵低速轴上的大齿轮和与其啮合的中轴小齿轮发生断齿。
两断齿齿轮的材料均为38CrMoAIA。其工艺流程：锻造毛坯→调质处理(调质后的硬度为250～280HB)→齿面离子氮化处理(要求氮化层硬度≥700HV)→精磨。粗磨后氮化高硬层深度为0.25～0.3mm。成品经超声波和磁力探伤。大齿轮齿数为125，小齿轮齿数为55，两齿模数m=1.27。
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检验与结果分析
2.1
宏观观察
低速轴大齿轮和相啮合的中轴小齿轮的配合及损伤情况见图1，可见两个齿轮均有断齿。大齿轮有63齿完好，其余各齿均出现断齿。每个断齿的断口均分成上、下两个半齿断口，上部各半齿呈现疲劳“海滩花样”(部分磨损的齿除外)，下半齿宏观断口有明显的放射状疲劳棱线，上下各断齿均开裂在齿根处。图1箭头方向为轮齿开裂方向，也为各轮齿的断裂顺序。由于A齿与其它齿相比“海滩花样”区面积最大，即疲劳次数最大；再根据轮齿断裂顺序，可以认为A齿为最先断裂。中轴小齿轮与大齿轮的上半齿相啮合部分每个齿均有损伤(有的开裂、有的断齿)，且每隔四个齿有一个齿断齿严重；而与大齿轮下半齿相啮合的部分保持完好。
图1
大、小齿轮相互啮合及轮齿损伤形貌
2.2
化学成分分析
在大齿轮上取化学分析试样，测试结果列于表1。由表可见，材料的化学成分符合标准要求。
2.3
硬度测试
对大齿轮所用材料进行硬度测试，共测试4点，平均值为262HB。图纸规定材料的硬度范围为250～280HB。可见材料的HB值符合图纸要求。
2.4
冲击韧性测试
用大齿轮的材料制成两个缺口为2mm的U形冲击试样，测试αk值。测试结果为：1.27×lO6J/m2；
1.21×lO6J/m2；平均值为1.24×lO6J/m2。按齿轮所用材料的热处理状态，此数据在合格范围之内。冲击断口形貌为细小的韧窝。
2.5
氮化层厚度及显微硬度测试
氮化层的宏观形貌见图2所示，轮齿的齿顶和侧面氮化层厚度较均匀，而齿根处氮化层很浅。
图2
氮化层形貌 50×
对大、小齿轮齿面的氮化层厚度进行测试，共测试大齿轮3个齿，小齿轮4个齿，测试位置为轮齿的两个侧面，测试结果列于表2。
从以上测试结果可看出，小齿轮的氮化层厚度较大齿轮的氮化层厚度大。图纸要求氮化层厚度为。.25～0.30mm，可见大、小齿轮的氮化层厚度均较大。
对大、小齿轮的氮化层由外向内进行显微硬度测试，结果列于表3。
可见，氮化层的硬度符合图纸的要求(HV≥700，HK数值近似等于HV的数值)。
2.6
金相检验
在大齿轮完好齿和断齿处及小齿轮损伤部位取金相试样。显微镜下各试样的齿表面氮化层组织为脉状氮化物与回火索氏体的混合组织；38CrMoAIA材料基体组织为回火索氏体，组织正常，见图3。
图3
氮化层组织 500×
2.7
断口分析
大齿轮轮齿呈半齿块状断落，上半齿断口呈“海滩花样”，且有疲劳台阶，见图4；下半齿断口有疲劳台阶及放射状疲劳棱线，见图5。裂纹萌生于齿根。裂源区均为韧窝结构，未见冶金缺陷，典型断口形貌见图6。扩展区为疲劳条带二次裂纹形貌，见图7。氮化层处其断口主要为沿晶开裂。
小齿轮断齿集中在与大齿轮上半齿部位相啮合区域。断裂形貌分为两类：一类是每隔四个齿有一个齿从轮齿的约半高部位开裂，这些轮齿断口已经过多次磨损；第二类为每两个损伤严重轮齿之间的四个齿，这些轮齿在齿顶有不同程度的开裂和小的掉块，在工作面上有轮齿压痕，见图8。
图4 上半齿断口形貌
图5 下半齿断口形貌
图6
裂源区断口典型形貌
图7 疲劳条带二次裂纹形貌
图8
小齿轮齿顶损伤和工作面压痕形貌
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讨论
从以上检验结果可知，材料的化学成分、金相组织及硬度值均合格，氮化层略厚，在齿根处氮化层很薄。
轮齿的断裂性质为疲劳断裂，系过载开裂。由于大齿轮有连续的63个齿完好，而所有断齿均分为上、下两个半齿，这表明大齿轮受到脉动偏载力的作用。该脉动偏载力造成整个齿轮受力不均匀(尤其是大齿轮断齿区域受力较大)，并且还造成在单个轮齿的宽度范围内所受力的分布不均匀，导致大齿轮受力最严重的部分轮齿在齿根部位首先产生半齿断裂，随后由于受力状态进一步恶化，使另外半齿也相继产生疲劳断裂。该脉动偏载力的来源，应与齿轮的装配、啮合状态不良(如大齿轮与电机不同轴、齿轮与轴装配不良、大小齿轮轴线不平行等)等因素有关。
小齿轮每隔四个齿就断一齿是在脉动偏载力的作用下，在特定的传动比(大齿轮125齿、小齿轮55齿)下所形成的现象。
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结论
(1)齿轮轮齿断裂性质为疲劳断裂。
(2)齿轮轮齿断裂的原因是工作时受力过大所致，所受力为脉动偏载力。
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