聚丙烯挤压造粒机齿轮箱齿轮开裂原因分析

2019-05-29刘燕山

设备管理与维修 2019年18期

关键词：齿根轮齿齿轮箱

刘燕山

（福建古雷石化有限公司生产技术部，福建漳州 363214）

1 概况

2016 年8 月，某公司聚丙烯装置一线挤压造粒机组齿轮箱齿轮发生损坏故障。该机组一直运行平稳，故障发生前出现规律的敲击声，几天后解体检修发现齿轮箱齿轮开裂。

该齿轮箱为国外进口，于2009 年10 月投用。2013 年12 月大修期间更换了所有滚动轴承，并对齿轮进行着色检查，未发现异常。

该挤压造粒机组年产量33 万吨，机组设计运行8000 h/a，运行方式为连续运行，允许短时间停工加料。机组装机功率9460 kW，实际运行扭矩75%，最高90%。断裂的齿轮没有单独的图纸，齿轮的基本尺寸：外径1300 mm，内孔直径380 mm，厚度380 mm。

2 分析样品

分析样品见图1，经检查齿轮上的一个齿（图1）存在开裂现象，裂纹长约340 mm。

图1 分析样品

3 结果分析

3.1 宏观分析

齿轮断齿所在部位见图2a，齿的一端面有穿透裂纹（图2b），另一端面未见裂纹。齿两侧面均有裂纹，裂纹表面有金属脱落现象，其一侧裂纹一端位于齿顶，长约340 mm（距齿端部约38 mm）；另一侧裂纹的一端位于齿根，长约319 mm（距齿端部约61 mm）。齿轮其他齿未见开裂、点蚀和明显磨损现象。

图2 断齿部位及裂纹宏观形貌

3.2 化学成分分析

对齿轮取样进行化学成分分析，分析结果见表1。除碳含量偏低外，其他元素满足DIN EN 10250-3 中对34CrNiMo6 的化学成分要求。

3.3 室温拉伸试验

对齿轮取样进行室温拉伸试验，试验结果见表2。试验结果显示齿轮材料强度较高。

3.4 冲击试验

对齿轮取样进行冲击试验，试验结果见表3。

选取图3 中“1”部位和“2”部位进行金相观察，组织均为马氏体，晶粒细小。其形态略有差异（图4）。

3.6 硬度测试

对金相试样进行硬度测试，测试部位见图5，测试结果见表4。齿轮近外表层（A，B，C）处的硬度615.2～624.9 HV，而其他部位（D，E，F，G，H，I）处硬度341.4～431.2 HV，表层硬度比其他部位硬度高约200 HV，说明齿轮做了表层硬化处理。

3.7 断口分析

3.7.1 宏观断口分析

根据断裂齿啮合面和非啮合面裂纹尺寸，裂口宽度及金属破碎情况判断，启裂部位应靠近啮合面侧，并接近于齿长的中部位置。

表1 化学成分分析结果 w%

表2 室温拉伸试验结果

表3 冲击试验结果

将断裂齿断面分离后观察断口宏观特征（图6），发现断面复杂，大小不一，台阶较多。但从断面的挤压及多数具有扇形断面及贝壳纹特征，可以断定断口由多源疲劳断裂形成。除疲劳断面外，断口上发现一处冶金缺陷。根据断口整体宏观轮廓及冶金缺陷所处位置判断，冶金缺陷处应为最早引发疲劳开裂的疲劳源。

3.7.2 微观断口分析

图3 金相组织的观察部位

图4 金相组织

图7 为齿轮断齿断口微观形貌。由于受到疲劳过程中长期碾压，使断裂面挤压磨损严重，但总体上还是表现出疲劳断口的一些典型微观形貌特征。

3.8 能谱分析

对齿轮裂纹部位及钢中夹杂物进行X 射线能谱分析（表5）。分析结果表明，裂纹内块状或圆状均与齿轮基体性质相同，属线切割形成的金属颗粒。齿轮夹杂物主要为脆性氧化物类（氧化镁和氧化铝），局部有塑性硫化锰夹杂。

4 失效原因分析

轮齿折断有多种形式，正常情况下主要是齿根弯曲疲劳折断。因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断。但该机组电机有过载保护，可以排除过载的发生。

失效齿轮断裂从啮合面节线附近启裂，以约45°角向另一齿面疲劳扩展，裂纹扩展到齿厚度中心区域时转为平断口扩展一定程度后再转向45°方向，最终在齿根处穿透。齿轮断裂具有以下主要特征：

（1）齿轮材料化学成分、力学性能基本正常。

（2）裂纹贯穿齿厚，但未发生断裂，也未见明显塑性变形。

（3）多源、多台阶断面、表面有金属脱落。

（4）表面未见明显的齿面磨损、变形及点蚀现象。

（5）开裂部位未见无结构或加工造成的应力集中。