高炉鼓风机增速齿轮断裂原因

裴永红  陈  斌  王亨炎

(马钢般份有限公司  马鞍山  243000)

摘  要：对2500m³高炉鼓风机组增速机齿轮的断裂进行了检验和分析，认为Al2O3夹杂是造成齿轮疲劳断裂的主要原因。

关键词：齿轮；疲劳；断裂；夹杂，

某炼铁厂2500m³高炉鼓风机采用由瑞士引进的AV80-14全静叶可调式轴流压缩机组，在某次送风启动过程中发现增速机高速齿轮轴振动值达到74mm(报警值为60mm，跳闸值为90mm)，并且在电机达到同步转速后振动没有减弱。停机检查发现，增速机高速齿轮其中一齿非传动端侧断裂，断口长约170mm，呈月牙状，在齿轮箱底部找到一大掉块及部分碎片。

剥离掉块的齿轮为从动轮，圆柱斜齿左旋，材质为DIN17CrNiMo6，斜齿长517mm,齿数64,齿顶宽6mm，转速为4359r/min,额定传递功率为32000kW。失效齿轮累计运行时间20414h，仅为设计寿命的1/10。

1  检验与结果

对掉块进行宏观检验，根据不同部位按图1所示切取样品。取REM样品在PHILIPSXL40扫描电镜下分析断口和能谱分析；取LSI样品检查材质内部的夹杂情况；取S2样品检查齿面、基体的硬度和显徽组织；取RFA样品用X荧光光谱仪分析材料化学成分。

图1  掉块上试样切取示图.

1.1  宏观检查及微观分析

剥离后的齿轮和掉块的断口上存在充分发展的贝纹线区，为疲劳断口，最后断裂区约占整个断口的30%，对REM样品仔细观寮后发现，断裂源区位于工作齿面节线上部的次表层，大约在齿面下2mm处(见图2箭头所指)，长约0.8mm、宽约0.4mm，呈纺睡形，断裂源区有Al2O3夹杂，图3为源区中心点的Al2O3夹杂形貌。

      图2  REM样品断口                               图3  裂源中心点的Al₂O₃夹杂

1.2  化学成分

在掉块上取RFA样品进行化学成分分析，结果列于表1。可见，齿轮的化学成分在德国DIN17210标准中对DIN17CrNiMo6的成分要求范围内。

1.3  夹杂物

取LS1金相样品，抛光后观察夹杂物，按德国标准DIN50602评定，[O」总和指数K2为29.93,[S]总和指数为28.17,综合总和指数为58；如果按我国标准GB10561评定，B类粗系为2.5级，A类粗系为3.0级。可见，该齿轮的夹杂物较多。

1.4  显微组织

取S2样品进行金相分析。腐蚀后的检验面的硬化层组织为回火马氏体(图4)，基体为回火马氏体十贝氏体十铁素体(图5)，由图5可见，材质中的夹杂物较多。

图4  硬化层组织                                  图5  心部组织

1.5 硬度

对S2样品进行显微硬度试验，表层的硬度约为700HV，相当于60HRC，而心部硬度约为410HV，相当于43HRC,符合齿轮的设计要求。

2  讨论

根据上述检验结果，齿轮材料的化学成分、硬度和金相组织都符合要求，但材质中的夹杂物较多，尤其在断裂源区中心发现了Al₂O₃夹杂，该夹杂成为失效的疲劳核心。

断裂源位置处于表面硬化层向心部的过渡区(见图6)，该区域内存在Al₂O₃夹杂，对齿轮的疲劳寿命有十分不良的影响，Al₂O₃夹杂的膨胀系数随温度的变化很小且硬度高，在齿轮制造过程中，淬火时表面和过渡区都剧烈收缩，Al₂O₃夹杂受压应力，基体金属受张应力；热处理后硬化层为高碳回火马氏体，比容大，处于表面压应力状态，过渡区则处于拉应力状态，因此热处理过程中，过渡区的Al₂O₃夹杂容易与金属基体分离，甚至在其界面头端产生微裂纹，从而为疲劳源的形成提供便利条件。齿表层经渗碳淬火回火后有高的硬度和疲劳强度，所以裂纹容易由疲劳源向心部扩展，而向齿面扩展较难。

图6  掉块截面及断裂源位置示意图

在齿轮啮合过程中，从动轮的轮齿与主动轮相接触}是由齿顶扫向齿根，齿根部位住往承受最大的交变弯曲应力，而节线上部的齿面承受的是脉动交变接触压应力。疲劳派源于齿轮节钱上部工作齿面的次表层，轮齿在与主动轮啮合的一刹那，靠近齿顶的工作齿面承受很大的作用力，使从疲劳源处发生的裂纹扩展迹线如图6所示。在啮合力的作用下，尤其在齿轮工作过程中，启动、换档或啮合不均匀时轮齿还要承受冲击力的作用，疲劳裂纹加速扩展，该部位承受载荷的有效截面迅速减小，在某一时刻，有效截面难以承受啮合应力，即发生瞬时断裂而剥离掉块。剥离掉块后，齿轮运转失稳，因而产生很大振动。

3  结论

该齿轮断裂掉块的主要原因是节线上部的工作齿面次表层存在Al₂O₃夹杂物，因此在齿轮运转过程中的交变应力作用下导致轮齿疲劳破坏。