铁路牵引电力机车从动轮齿圈断裂分析

穆科宇

中车兰州机车有限公司 甘肃兰州 730050

1 序言

从动轮齿圈在机车运行的过程中，除主要承受弯曲应力外，还承受转向制动冲击载荷，因此要求齿圈具有较高的强度、刚度以及良好的耐疲劳性能。我公司检修的某型电力机车运行时间不长，发生牵引电动机从动轮齿圈断裂，因此，该齿圈属于早期断裂失效，断裂的齿圈如图1所示。齿圈设计材质为42CrMo，该材质在生产过程中容易带入有害元素和非金属夹杂物，影响产品质量[1]。从动轮齿圈的加工工艺为：毛坯锻造→粗加工→调质→半精加工→表面淬火→精加工，齿圈表面粗糙度和调质状态都会影响齿圈质量[2]。

图1 出现断裂的从动轮齿圈

根据齿圈的技术要求，齿圈硬化层硬度：52～58HRC，齿顶的硬化层深度1～3mm，齿面硬化层深度2～4mm，过盈配合0.8～0.9mm[3]。

2 宏观及断口检验

断裂齿圈的断口如图2所示。断口整体较为平整，未见明显的宏观塑性变形，断口上有明显的贝纹线，因此可以判定该齿圈的断裂属于疲劳断裂。

图2 齿圈断口

表1 从动轮齿圈未淬硬部分化学成分（质量分数） （%）

3 理化检验

3.1 化学成分分析

该齿圈材质为42CrMo，从齿圈未淬硬的部分中心钻取试样，进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明，齿圈材质的化学成分符合GB 3077—1999《合金结构钢》标准中对42CrMo的要求。

3.2 金相检验

从断口附近的另一个齿处，用线切割机切取金相试样，（要求保留断口），按照GB 10561—2005进行夹杂物的检验，结果为：A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5，夹杂物虽然没有超过一般的规定，但是有较大块夹杂物存在，对疲劳性能有一定的影响，如图3所示。

图3 金相组织（100×）

经硝酸酒精溶液浸蚀后，齿的硬化层的整体形貌如图4所示。由图4可见，齿面的硬化层较完整，齿顶的硬化层有薄的地方，齿根部的硬化层很薄，宏观上几乎看不到，根据TB/T 2989—2000《机车车辆用齿轮供货技术条件》中6.7.4.1条规定，要求齿根部应有硬化层，因此这样的硬化层是不符合要求的。

图4 硬化层的整体形貌

硬化层的金相组织按照JB/T 9204—2008 《钢件感应淬火金相检验》进行检验，评为7级，属于合格级别，无脱碳，如图5所示。

齿圈心部组织为索氏体，但是整体有不均匀现象，如图6所示。

图5 硬化层金相组织（400×）

图6 金相组织（400×）

硬化层深度测定，在100倍显微镜下检测，硬化层深度符合要求，硬化层在齿面附近符合技术要求，而在齿顶部，有低于技术要求的地方，但是，这个情况对齿根部疲劳强度几乎没有影响。

3.3 硬度检测

按照GB/T 230—1991对硬化层进行硬度检测，结果为：齿顶中部硬度4次测量结果为34H R C、52HRC、39HRC、30HRC，齿顶边缘的硬度2次测量结果为53HRC、46.5HRC，齿顶中部的硬度有低于要求的，且不均匀，可能与齿顶的硬化层不均有关，这个情况与齿圈的断裂没有直接关系，但是齿表面硬度存在的差异则说明硬化层有可能存在问题。因此可以做出这样的推论，齿根部即使有极薄的硬化层，其硬度也可能存在问题，但是由于没有直接测定齿根部的硬度，这个结果仅作为参考。

3.4 齿根部宏观检测

因为齿根部是齿圈工作中承受弯曲应力最大的部位，技术要求中对该部位的表面粗糙度有要求，因此我们对该处进行了宏观检验，齿根部表面的情况如图7所示，可见有十分明显的加工痕迹，经解剖后，在100倍显微镜下观察，表面金相组织如图8所示。

图7 齿根部加工痕迹

图8 表面金相组织（100×）

4 分析讨论

从齿圈断裂的断口可以明显地看出，该齿圈的断裂属于典型的疲劳断裂，从裂纹源的位置及断口的情况可以看出，齿圈工作时基本没有偏磨现象，并且工作应力不大；理化检验结果表明，化学成分、硬化层组织、基体组织等项目合格，但是齿根部的硬化层很薄，宏观下几乎看不到，这与标准要求不符，表面有明显的加工痕迹，夹杂物检验中，有大块的夹杂物存在，硬度不均匀，且有多个测量值低于技术要求，这些都影响齿圈的疲劳性能。

齿圈制造时，考虑到表面的剥离和掉块及磨损等问题，对齿面有较严格的要求，但是，由于齿圈的断裂在运行中，齿根部位受到最大的弯曲应力，因而齿圈的断裂大都是从根部断裂的，因此对齿根部也有较为明确的要求，资料显示，齿圈的断裂都和根部质量不良有关[4]。齿根部感应淬火，就是为了提高疲劳强度，并且在齿根部表面形成压应力，从而最大限度地提高疲劳抗力，夹杂物含量高，或有大块夹杂物存在，会降低疲劳性能，表面硬化层薄则降低了疲劳性能和表面的残余压应力，表面的加工痕迹，不仅加大了应力集中，而且本身往往就成为裂纹源[5]。这些因素都是疲劳断裂形成的重要因素。

5 结论与建议

通过以上的分析，我们认为，电力机车齿圈断裂的主要原因有以下2点：

1）齿圈表面有明显的加工痕迹，该加工痕迹造成应力集中及疲劳性能的降低。

2）齿根部硬化层太薄。另外，齿圈中含有较大块的夹杂物及齿圈心部组织不均匀，对疲劳性能也有一定影响，表面硬度低及硬度值不均对疲劳性能也有影响。

建议严格执行齿圈热处理工艺规范，防止齿根表面硬化层很薄，防止齿圈心部硬度偏低及硬度不均匀等现象发生；减小齿根部的表面粗糙度值有助于抑制疲劳裂纹源的产生；应该在齿圈制造过程中严格按照标准要求锻造，或进行扩散退火，充分消除组织不均匀造成的应力集中。