柱塞泵齿轮断裂失效分析*

张 斌，王传鸿，刘江凯

(中石化石油机械股份有限公司 四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州 434010)

0 引 言

柱塞泵是提高原油采收率的重要设备，随着页岩气等非常规油气资源的开发需求，柱塞泵工作压力和负载不断增加，对其安全性和耐久可靠性提出了更高要求[1]。柱塞泵一般采用齿轮传动将动力源的旋转运动减速后，带动曲柄转换成柱塞的往复运动。齿轮传动需要长时间承受高速重载的作用，齿轮失效成为影响柱塞泵性能与可靠性的关键因素[2]。在服役过程中，齿轮存在齿轮齿断裂、点蚀等多种失效形式，对齿轮失效机理的分析，是完善相关装备及零部件的设计标准的重要依据[3]。特别在高速重载工况下，齿轮断裂是一种严重且常见的失效形式，直接导致装备损坏甚至安全事故[4-5]。现有对重载齿轮断裂问题的研究主要集中在直齿齿轮分析方面，2500型柱塞泵系统中采用的斜齿齿轮系统还涉及较少。

针对出口美国的1台2500型柱塞泵中的齿轮两次断裂失效实例进行机理分析，为2500型柱塞泵齿轮传动系统的设计和制造提供科学依据。

1 齿轮传动结构与断裂失效问题

2500型柱塞泵齿轮传动结构如图1所示，一个动力端总共有1个小齿轮轴和两个大齿轮，小齿轮轴的两侧分布2个小齿轮，通过斜齿驱动2个大齿轮，采用对称的渐开线斜齿设计，实现轴向载荷平衡。小齿轮轴承与壳体采用销固定，并在轴向方向上留有间隙，保证在齿轮配合过程中小齿轮可以沿轴向方向小幅度调整，保证两侧齿轮同步啮合。齿轮轮廓经过磨削加工，保证齿形的精度和齿廓表面的光滑性。

图1 2500型柱塞泵齿轮传动结构

在2500型柱塞泵正常工作4月后，大齿轮发生了从齿根部到顶部，长度为齿宽1/2的断裂，如图2所示。

图2 齿轮断裂照片

断裂角为45°(见图2c)，断裂的同侧还有存在29个明显的齿根处裂纹，齿轮断面存在显著的应力纹(见图2b)，表明这是高负载下的疲劳断裂[6]。大齿轮失效后进行了更换，1月后，未替换的小齿轮发生4个齿在根部断裂，从断裂面分析为脆性断裂(见图2c)。需要指出的是，更换的大齿轮与原始齿轮模组供应商不同，因此齿轮的加工工艺差异可能带来齿轮轮廓上的偏差。

2 断裂失效分析

2.1 齿轮强度

大齿轮材料为42CrMo，小齿轮材料为20CrMnMo，两个齿轮材料的化学成分测试如表1所列，大齿轮材料Cu元素轻微超差，小齿轮材料Ni、Cu元素轻微超差，但是总体上材料成分在允许范围内，可以认为大、小齿轮材料符合要求。

表1 材料化学成分测试结果

大、小齿轮表面采用电磁感应淬火对材料进行表面硬化处理，齿轮表面硬度要求与实测结果如表2所列。考虑到电磁感应淬火为了防止边缘开裂，一般在齿轮端面功率会有所降低导致硬度下降，硬度测试样品从距离齿轮端面15 mm切片。从表2可以看出，大、小齿轮表面硬度和芯部硬度均符合设计标准值范围，但是有效硬化深度值比设计标准值偏低。大齿轮表面硬度分布如图3所示，可以看出，硬度在齿廓分布并不均匀，因此电磁感应淬火工艺导致硬化层分布不均匀，有效硬化深度值不达标是大齿轮断裂的原因之一[7]。特别是齿根处，由于电磁感应淬火收到齿轮形状的限制，有效硬化深度仅0.7 mm，成为高负载下的裂纹的萌芽处，最终导致大齿轮从根部疲劳断裂。

表2 硬度要求与测试结果

图3 大齿轮表面硬度分布

2.2 齿轮装配与啮合

大齿轮齿数108，小齿轮齿数17，法向模数8.467 mm，螺旋角21.003°，压力角25°。大、小齿轮的精度均为6级。从齿轮精度的测量结果看，齿轮的加工精度较高，理论上不会影响齿轮的啮合。

当大、小齿轮啮合时，他们表面在啮合线处接触，斜齿的啮合线覆盖齿底到齿顶的全部区域。在工作载荷下，啮合线变得光亮，所有啮合线一起构成了接触图案，反映了齿轮啮合和失效过程[8]。图4(a)显示了接触图案出现在失效的大齿轮的一侧，这是齿轮载荷承载在部分齿轮齿表面造成的典型失效，通常导致点蚀或者齿轮齿断裂。大齿轮经过维修更换后，接触图案如图4(b)所示，可以看出与小齿轮构成了完整的接触。需要指出的是图4(a)和图4(b)所示齿轮是先后与同一个小齿轮装配在一个箱体中。图4(c)和图4(d)分别为小齿轮工作面和非工作面的接触图案，在小齿轮的非工作面出现了接触图案，这意味着与大齿轮的装配出现了问题，承受了较大的反向载荷[9]。

图4 齿轮啮合表面接触图像

在小齿轮的拆卸过程中，我们发现右侧轴承与内套脱落，内套有0.23 mm的金属磨损，原有与传动轴的过盈配合被破坏，这是由于轴承内圈与传动轴外部长时间的摩擦载荷导致的。损坏的轴承不能有效支撑小齿轮导致小齿轮齿承受额外的冲击载荷，导致齿轮齿的脆性断裂。也有可能当大齿轮第1次失效后，小齿轮也可能已经存在小的裂纹损伤，更换后的大齿轮与原有大齿轮的供应商不同也可能导致大小齿轮啮合效果退化。图5是传动轴左右两侧轴承图像，从图中可以看出，左轴承通常在两排滚子上工作，右轴承只有一排滚子上工作，这意味着右轴承已经承受了轴向载荷。这种情况经常发生在齿轮的装配问题造成的，导致1个大齿轮接触前表面，另一个大齿轮接触后表面，这种装配问题一般伴随着小齿轮无法移动。进一步的三维测量结果显示，大齿轮和小齿轮的中心线的并行度精度不是太高。当柱塞泵工作时，轴向载荷将作用在轴承上。此外，轴承也可能在第一次大齿轮故障中就发生了失效。

图5 传动轴左右两侧轴承图像

根据上述分析可知，啮合不良(接触)是首次大齿轮故障的主要原因，通过电磁感应淬火获得的齿轮芯部硬度不足也是导致大齿轮从齿根部疲劳断裂的原因。轴向载荷导致小齿轮传动时存在冲击，导致了第2次小齿轮齿的脆性断裂，也不排除齿轮啮合精度的劣化或大齿轮失效时引起的小齿轮损伤。

3 结 语

针对油田系统2500型柱塞泵设备中大、小齿轮两次断裂失效的典型案例进行了失效机理分析。我们发现在高工作负载状况下，齿轮的啮合精度、齿轮的有效硬化深度特别是根部的有效硬化深度是造成曲轴上大齿轮失效的主要因素。同时，虽然通过斜齿设计实现轴向载荷平衡，但是在装配过程中应该尽量减小装配误差避免轴向载荷，防止小齿轮传动时的冲击。此外，当齿轮发生失效时，应该同时对齿轮对进行更换，保证齿轮啮合的精度和预防齿轮微观损伤。上述结论为柱塞泵齿轮传动系统设计的可靠性和制造工艺性提供了科学依据。