机车齿轮断裂失效分析

摘 要：电力机车齿轮在运行过程中有时会突然发生断裂，通过对断裂的齿轮进行化学分析、硬度检测、金相等分析，表明齿轮的断裂主要是由于在调质淬火时操作不当，造成齿轮过渡层组织组不正常，在弯曲应力的作用下，发生疲劳断裂。

关键词：齿轮；应力；失效分析

中图分类号：TG457.25文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）01-0290-02

1 引言

电力机车在运行过程中有时会发生从动齿轮断裂事故，而与从动齿轮相匹配的其他零件基本完好无损。电力机车从动齿轮采用材质为42CrMo，图号为：TXJ3-61-21-101-1。齿数Z=87，法面模数mn=10,端面模数ms=11。其主要生产工艺为：下料――模锻――粗加工――调质――精加工――中频淬火――回火――精磨等。按规定齿表面硬度应该达到HRC52-58，淬硬层深度2-4mm。

2 理化检验

2. 1 宏观检验

从断裂齿轮的宏观上检验，整个破损实物有较严重的扭曲变形，齿面有烧伤、变形、碾压、剥落和磨损等痕迹，尤其是断口附近的几个齿磨损较严重，齿高仅为12mm左右，如图1所示。

齿轮断于齿根处，断面平齐，无明显的塑性变形，呈银灰色，断口为典型的疲劳断口，裂纹源区只有一个疲劳源，位于距齿端35mm，距齿根约2mm处，经10倍放大镜观测，疲劳源产生于次表面；裂纹扩展区呈现典型的贝壳状花纹，贝纹线平滑，间距较小，并且扩展区较大；瞬时破断区位于裂纹源对面，且面积较小，约占整个断面的15%。如图2照片所示：

2.2 化学分析

按照相关规定取样，对断裂齿轮进行化学分析，结果如表1：

2. 3 硬度测定

按照GB230-83洛氏硬度试验法的规定对失效齿轮的心部、齿顶、齿根和齿节等部位分别进行洛氏硬度的测定，结果为：心部：HRC22-25；

齿顶：HRC53；

齿根：HRC52；

齿节：HRC53。

2. 4 金相分析

（1）取样、制样。

在位于断裂齿轮实物断口附近处切割解剖，在疲劳源附近采用DK7725B1-1型电火花线切割机切取金相试样。

（2）试样的侵蚀。

试样经磨光及抛光后，在5%硝酸酒精溶液中侵蚀，分别对淬硬层、过渡层及心部进行检验，并且从齿轮离裂纹源较远的部位切取试样，作为对比。

（3）夹杂物分析。

按照GB/T1222-1984的规定，试样经过抛光后进行夹杂物的分析，结果为：

夹杂物粗系2级，细系2级。可见，夹杂物在允许的范围内。

（4）淬硬层分析。

沿齿轮齿面及齿根处淬硬层均为3mm，组织为回火马氏体。

（5）齿根淬硬过渡层。

由表面向内分别为马氏体、索氏体加屈氏体加铁素体。如图3，而在作为对比的其他未断的齿处淬硬层中组织为回火马氏体，过渡层组织为马氏体、索氏体。

图3 过渡层组织 200× 5%硝酸酒精溶液侵蚀

（6）心部组织。

齿轮心部及齿根心部组织均为索氏体加屈氏体加少量铁素体。如图4的照片所示：

图4 心部组织 500×5%硝酸酒精溶液侵蚀

3 受力分析

当机车运行时齿轮啮合，不仅仅是一对轮齿在啮合，各对轮齿啮合的状态不同，另外，轮齿啮合时不仅有相对的滚动，而且还有相对的滑动。所以决定每个齿的具体受力情况是非常复杂的，因此我们针对齿轮的断裂情况作简要的分析，作为圆柱形齿轮传动的作用力主要为：齿轮端面分度圆上的额定圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fx、垂直于齿轮接触线的法向力Fbn等。具体的计算方法见参考资料。从宏观断口的形貌分析，瞬时破断区位于疲劳源对面，说明导致齿轮断裂的主要应力是弯曲应力，疲劳源位于齿根应力集中处（应力集中系数最大处）齿根的弯曲应力 σbc为：

σbc=6phfcosωbs2f=pbm=yB

式中:m――模数（mm）；

B――齿宽（mm）；

Sf――最弱断面齿厚（mm）;

hf―― 抛物线梁长度 （mm）;

P――齿面法向载荷；（公斤）；

ω――齿轮中心线和齿面载荷作用线夹角的余角；

yB――应力齿形系数。

可见，齿轮模数、齿宽及齿面法向载荷等都对齿根处的弯曲应力有影响，实际上除了基础应力以外，齿轮啮合状态、载荷性质、齿轮大小以及齿圈与ZG25轮心过盈配合产生的应力等因素也对齿根处的弯曲应力大小有影响。在这些因素的共同作用下，齿轮运转时，产生了弯曲疲劳载荷。另外，在系统启动及加速时，还会产生弯曲冲击应力。

4 分析讨论

根据以上的检验结果表明，该齿轮的断裂属于典型的早期疲劳断裂。理化检验分析表明，该材料的化学成分合格，材料的非金属夹杂物也合格，齿轮各部位的硬度均在合格的范围内，淬硬层的金相组织也是合格的，惟有过度层及心部组织中有铁素体及屈氏体的存在，而疲劳源正好产生在过渡侧层内。机车在启动、加速等情况下容易在齿根的应力集中处产生较大的冲击过载及连续过载，在强度极限较低的过渡层中萌生了疲劳裂纹源。受力分析表明，齿轮在正常的运转过程中，受到多种因素的影响，受力十分复杂，但在齿根应力集中处，主要是弯曲疲劳应力起决定性的作用，观察疲劳裂纹的扩展区，可见，疲劳纹间距较小，非常细密，由此可见，裂纹在扩展过程中，所受的力并不是很大，由于裂纹扩展区的组织中含有铁素体、屈氏体等，并且组织不均匀导致材料抵抗裂纹扩展的能力下降。齿轮瞬时破断区位于裂纹源对面，并且，瞬时破断区的面积较小，因此，可以断定，齿轮在断裂时的应力也并不大。齿轮断齿以后，由于齿轮系统不能正常啮合，受力不均匀，局部应力过大，造成其他齿的扭曲变形、烧伤、拉伤等。

5 结论

综合上述分析，齿轮材质为42CrMo钢，在正常调质后的组织为回火索氏体，具有优良的综合机械性能，而该齿轮在调质淬火时加热温度偏低，或加热时间较短，并且在冷却时，局部冷却不足，导致出现屈氏体和铁素体，尽管在回火后硬度合格，但其综合机械性能与正常组织相差较大，在冲击过载和连续过载的情况下，在齿根过渡层中产生了疲劳裂纹源，随着齿轮的不断运转，在交变弯曲应力的作用下，裂纹沿最大应力方向扩展，当有效工作面积减小到不能承受外力时，发生瞬时破断。断齿后，由于齿轮不能正常啮合，因而造成其它齿的连续破坏。

6 建议

（1）严格执行热处理工艺，确保齿轮均匀加热和冷却，保证足够的加热温度和时间，保证冷却速度大于临界速度。

（2）严格执行组装工艺，减小由于组装不良引起的附加应力。

（3）机车运行时，注意避免突然的起停，加速要均匀。

参考文献

［1］ 陈南平，顾守仁，沈万慈.机械零件失效分析［M］.北京：清华大学出版社，1988.

［2］会田俊夫.圆柱齿轮设计［M］.北京：中国农业机械出版社，1983.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。