离心式压缩机齿轮断裂原因分析与预防措施

2021-11-08郑博士马小明郑志军闫莉丹

机械制造 2021年10期

□ 郑博士 □ 马小明 □ 郑志军 □ 闫莉丹

华南理工大学机械与汽车工程学院广州 510640

1 现场情况

离心式压缩机作为重要的流体输运装置,适用于输送各类气体,广泛应用于钢铁、炼油、石化等领域[1]。齿轮传动系统是离心式压缩机的核心部件,并且是运动和动力传递的重要组成部分。在周期交变载荷条件下,齿轮容易发生疲劳断裂失效。齿轮疲劳断裂主要包括齿面疲劳剥落、齿根弯曲疲劳,以及不同振动形式的疲劳开裂[2-3]。齿轮的疲劳寿命直接影响离心式压缩机的使用寿命[4],一旦齿轮系统发生故障,轻则影响生产,重则造成人员伤亡和财产损失。

某钢铁厂一台离心式压缩机在投运13个月后由于振动异常导致联锁停机。经检查发现,离心式压缩机传动机箱的两个齿轮发生断齿失效。这台压缩机为四级单程离心式压缩机,介质为干燥氮气,额定功率为9 300 kW,入口压力为535 kPa,排气压力为2.73 MPa,电机转速为1 485 r/min。离心式压缩机安装、维护、在线监测记录显示,这台离心式压缩机在安装维护过程中未发现异常。在线监测发现,齿轮安装后一段时间内由于轴承间隙增大导致齿轮振动增大。在排除问题后,离心式压缩机正常使用,直到发生联锁停机。为分析齿轮断裂的原因,防止类似事故重复发生,笔者进行了失效分析,并提出预防措施。

2 材料理化检验

齿轮系统是影响离心式压缩机动力学性能的关键,通过齿轮间的耦合作用,使离心式压缩机各级转子成为相互影响、相互制约的整体[5]。发生断齿失效的齿轮如图1所示,失效齿轮为离心式压缩机传动系统的两个从动齿轮。

2.1 断口宏观形貌

断齿失效的两个齿轮存在差异,齿轮宏观形貌如图2所示。1号从动齿轮的52个齿,齿中部均发生不同程度的断齿,断齿长度范围为15～37 mm,大部分断齿断口较大且不平。部分断齿从齿面中部开始断裂,齿根处存在明显的挤压痕迹,疑为先断的齿脱落的金属碎屑被挤压所致。20号齿断裂位置在齿根过渡圆角处,过渡圆角处由于几何形状突变,造成一定程度的应力集中[6]。断裂由工作面根部向另一侧扩展,呈现挖根状轮廓[7]。断口表面较平坦,存在明显的裂纹源区、扩展区、瞬断区,并且表面可见疲劳贝纹线,由此判定20号齿最先发生了齿根弯曲疲劳断裂。2号从动齿轮共有40个齿,其中6个齿发生断裂,断齿长度范围为25～130 mm。未断齿中间位置的齿顶和齿根均存在不同程度被挤压磨损变形的情况。齿顶的摩擦痕迹宽度约为15 mm,齿顶受到挤压变窄,齿根受到挤压后部分区域发生凹陷,齿面硬化层翘起。40号齿断面存在可见的表面剥蚀坑。

▲图1 断齿失效齿轮

2.2 断口微观形貌

采用丙酮溶液超声清洗断齿失效齿轮的断口样品,干燥后置于扫描电子显微镜下,观察齿轮断口微观形貌,如图3、图4所示。由图3可见,1号从动齿轮20号齿断口积聚在齿根应力集中位置的痕迹致密,表明该位置为裂纹源区。在断口存在疲劳台阶和局部扩展痕迹,进一步表明1号从动齿轮20号齿在齿根处发生了弯曲疲劳断裂。由图4可见,2号从动齿轮6号齿断口较大,有明显的撕裂特征,断口边缘区域存在表面点蚀坑;在瞬断区可见河流花样形貌,表明这一区域具有脆性断裂特征。

▲图2 断齿失效齿轮宏观形貌

2.3 化学成分

通过采用Optik-01L0017型直读光谱仪和QL-HW2000B型高频红外碳硫分析仪对两个断齿失效齿轮样品进行化学成分分析,分析结果见表1。由表1可知,两个断齿失效齿轮的化学成分符合标准GB/T 3077—2015《合金结构钢》中40CrNi2Mo合金结构钢的要求[8]。

▲图3 1号从动齿轮20号齿断口微观形貌

▲图4 2号从动齿轮6号齿断口微观形貌

表1 断齿失效齿轮化学成分分析结果

2.4 金相组织

两个断齿失效齿轮的热处理工艺为850 ℃淬火后经600 ℃回火,再进行调质处理。分别在两个断齿失效齿轮的心部和边缘制取金相试样,金相组织如图5所示。图5显示,两个断齿失效齿轮主要金相组织为回火索氏体,齿轮边缘位置晶粒不均匀,且存在明显偏析;偏析带组织为回火托氏体,碳含量相比正常组织偏高,导致硬度偏高;同时带状组织影响了材料的均匀连续性,使齿轮的性能产生明显的各向异性[9],造成材料的塑性、韧性降低。比较同一断齿失效齿轮的心部和边缘金相组织,可见齿轮心部偏析相比齿轮边缘更严重。相比2号从动齿轮,1号从动齿轮的偏析带更为粗大、明显,硬度差别更大,导致1号从动齿轮的综合力学性能低于2号从动齿轮。

2.5 力学性能

按照标准GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》要求[10],对断齿失效齿轮母材分别制备拉伸、冲击、扭转、硬度试样,进行相应的力学性能测试,力学性能测试结果见表2。将表2数据与标准GB/T 3077—2015对40CrNi2Mo合金结构钢的要求对比,可知两个断齿失效齿轮试样的拉伸试验屈服强度和抗拉强度不满足标准要求,塑性和韧性指标也低于标准要求。测试结果表明,2号从动齿轮的整体性能优于1号从动齿轮。

表2 断齿失效齿轮力学性能测试结果

对两个断齿失效齿轮冲击试样断口进行扫描电子显微镜观察,如图6所示。由图6可见,1号从动齿轮的冲击试样断口形貌为韧窝与扇形花样形貌相间分布,2号从动齿轮的冲击试样断口仅有韧窝形貌,说明1号从动齿轮存在组织分布不均匀问题,导致力学性能不均匀。

对两个断齿失效齿轮轴横截面进行硬度测试,以齿轮轴截面几何中心为原点,向外成散射状选取硬度测试点,测试结果如图7所示。由图7可见,1号从动齿轮轴横截面布氏硬度(HB)在251～360之间,2号从动齿轮轴横截面布氏硬度(HB)在276～361之间,两个断齿失效齿轮的硬度均呈现从中间向边缘逐渐提高的趋势,并且局部硬度不均匀。齿轮心部硬度过低,易使心部产生塑性变形,进而使齿轮表面硬化层抗剥落性能及齿根抗疲劳性能降低。齿轮心部硬度过高,会降低齿轮的抗弯曲性能[11-12]。由测试结果可知,除硬化层外,两个断齿失效齿轮的硬度均高于标准要求,齿轮抗弯曲性能较低,容易发生齿根弯曲疲劳断裂。

▲图5 断齿失效齿轮金相组织

▲图6 断齿失效齿轮冲击试样断口形貌

3 断裂原因综合分析

由上述检验结果可知,这一离心式压缩机齿轮断口具有齿根弯曲疲劳断裂特征。1号从动齿轮20号齿齿根过渡圆角处在长期交变应力的作用下,工作面一侧产生裂纹。由于齿轮材料自身存在组织缺陷,塑性韧性差、硬度偏高,齿轮的抗弯曲性能较差,促使裂纹萌生和扩展,最终导致齿轮断裂。在20号齿发生断裂后,产生的金属碎屑随着齿轮传动在其它齿轮上发生磨损和挤压,使1号从动齿轮的其它齿发生断裂。同时部分碎屑附着在主动齿轮上,在主动齿轮与2号从动齿轮的啮合过程中使2号从动齿轮磨损,导致2号从动齿轮断裂。与两个从动齿轮相比,主动齿轮转速较低,因此在联锁停机之前未发生断齿,但是存在明显的挤压痕迹。

4 预防措施

笔者通过对断齿失效齿轮进行宏微观形貌分析、化学成分分析、金相组织观察、力学性能检验,得到以下结论:断齿失效齿轮发生了齿根弯曲疲劳断裂,裂纹起源于1号从动齿轮20号齿齿根过渡圆角处;在长期交变应力作用下,齿根工作面一侧萌生微裂纹;明显的偏析带回火托氏体和大小不均匀的晶粒促使裂纹扩展,最终导致齿轮发生断裂。

为防止类似事故再次发生,提出预防措施。应优化齿轮结构设计,选取最合适的齿根圆角半径,优化表面硬化处理工艺。严格控制齿轮的热处理工艺,确保材料的力学性能满足标准要求。严格控制齿轮的加工工艺,确保齿轮表面和过渡圆角处的表面粗糙度满足标准要求。同时加强表面质量检验,加强在线状态监控,严格执行检修程序,提早发现设备缺陷,并采取预防性措施。