工程机械变速箱轴常见失效分析

摘要：轴是机械设备中常见的零部件，是工程机械变速箱必不可少的重要零件，其作用是支承转动零件，使转动零件具有确定的工作位置，并承担着支撑、定位、传递运动和动力等重要功能。然而，在使用过程中，轴可能会出现各种失效损坏形式，造成机器停机影响客户生产，严重影响工程机械的安全性和工作效率。笔者通过介绍轴的主要失效形式，并提供相应的防范和预防损坏措施方法。

关键词：变速箱轴弯曲扭转过载损坏疲劳损坏

中图分类号：TU60

CommonFailureAnalysisofTransmissionShaftsinConstructionMachinery

LIYong1XUEWenling2

LiuzhouNO.2VocationalSchool，Liuzhou，GuangxiZhuangAutonomousRegion，545005China

Abstract：Shaftisacommoncomponentinmechanicalequipmentandanessentialpartofconstructionmachinerygearboxes.Itsfunctionistosupportrotatingparts，enablingthemto haveadeterminedworkingpositionandbearingimportantfunctionssuchassupport，positioning，transmissionofmotionandpower.However，intheprocessofuse，theshaftmayexperiencevariousformsoffailureanddamage，causingmachineshutdownandaffectingcustomerproduction，seriouslyaffectingthesafetyandefficiencyofconstructionmachinery.Theauthorintroducesthemainformsofshaftfailureandprovidescorrespondingpreventionanddamagepreventionmeasures.

KeyWords：Transmissionshaft;Flexiontorsion;Overloaddamage;Fatiguedamage

1轴的失效形式

由于轴的材质、功能、承载情况不同，以及工作环境、工况及操作者的差异，可能产生不同的失效形式。本文主要从过载损坏或疲劳损坏的原因分析，不同轴失效特征的情况，对今后分析故障问题会有一定的帮助。

1.1过载损坏

主要是由于承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂，严重造成变速箱内部卡滞，或由于其他事故导致轴过载损坏[1]。

1.1.1弯曲

特征为断裂表面边缘区域呈细小的木纹状（表面淬硬层）。在该区域下方，表面是粗糙和有条纹的。原始的断裂是很难确定的。典型的弯曲过载故障实际中很少出现，故障经常出现以上多种特征现象。过载导致弯曲故障的原因是过载，例如由于咬、弯曲过载断裂、传动系统的其他部件故障（输入或输出末端）、意外事故、操作失误或功能性错误的原因造成。

1.1.2扭转

（1）特征。纤维状断裂的表面是粗糙的，通常为纤维状的（纤维状断裂）。在边缘区域（表面淬火层）的断裂结构是精细的。当轴发生了扭转过载故障，断裂通常采取螺旋的方式。断裂纹路为从轴的中心线偏移45°。

（2）原因。过载、传动系统的其他部件故障（输入或输出末端）、意外事故、操作失误、功能性错误。

（3）措施。在售后服务处进行检查，检查齿轮、轴上的轴承和壳体。

1.2轴颈

1.2.1磨损

（1）特征。外部因素（里程大/工作小时长、油质差）可导致轴承滚道的材料磨损。这些可以是客户投诉（如噪声）的问题。正因磨损的发展、显现，材料上浅暗色的区域通常被定义为“灰度沾色”。

（2）原因。操作的影响、高速结合负荷减少、高负荷、里程大、累计工作小时长、油质量、微粒污染、热老化或不按照说明书规范保养[2]。

（3）措施。在售后服务处进行检查，不重复使用轴、检查其他轴颈和齿轮的滚道接触面。

1.2.2剥落、点蚀、疲劳

（1）特征。材料碎片折断，点蚀不断增加。材料脱离的碎片被压缩（滚压），导致局部过载。当达到晚期阶段，整个承载区域受到材料脱落的影响（剥落、点蚀）。这种破坏模式正是磨损的晚期阶段。

（2）原因。剥落、点蚀和疲劳：可能是由于操作的影响、高速时结合负荷减少、高负荷、里程大或累计工作小时长、油质量、污染、热老化、不按照说明书规范保养。

（3）措施。在售后服务处进行检查，不重复使用轴、检查轴滚道、齿轮、油品及保养情况。

1.2.3过度滚压材料

（1）特征。过度滚压材料是指粒子滚进材料里面、上面或其他留下来的痕迹，其中一些可以清楚地感觉到和肉眼可以看见的[3]。过度滚压材料通常是异物、粒子或剥落。这些会导致噪音或齿轮的刻痕。

（2）原因。杂质异物进入油中的颗粒粉尘、微粒、剥落。

（3）措施。在售后服务处进行检查，不重复使用轴、检查轴颈和齿轮上的滚道、检查其他传动部件损坏。

1.2.4细微压痕

（1）特征。细微的压痕是压痕和磨损的组合。滚道表面是明亮光滑的，但显示标志为连续的凹痕（压痕）。滚道表面的粗糙度<0.2mm。

（2）原因。细微压痕产生的原因可能是振动、车辆的往复负荷，如高速档驾驶时以较低的行驶速度、曲轴上的减震器有缺陷、传动轴不平衡、跟发动机有关的因素，如错误地设置高压油泵[4]。

（3）措施。在售后服务处进行检查，不重复使用轴、检查其他传动部件损坏。

1.2.5轴颈侵蚀

（1）特征。在实际应用中，滚针轴承只有很小的摩擦系数，因此只需要很少的油进行润滑和冷却。如果很高的差动速度结合为高速均匀的旋转（例如拖车时），滚子与滚道的接触处可能产生大部分的滑动。如果滚针轴承的冷却和润滑不再充足，这可能导致过热和造成轴承的侵蚀磨损或者咬死。

（2）原因。润滑油受到热老化、不按照说明书规范保养、油不足或不正确的润滑剂，拖车时传动轴法兰没有断开连接（很高差速度）、发动机相关因素，如错误设置高压油泵。

（3）措施。对售后服务处进行检查。

1.2.6侧面磨损（磨蚀）

（1）特征。最初的磨蚀是黑色或红棕色的。当缺少润滑剂供应加剧时，在短时间内会出现这种磨损现象。如果是因为缺乏润滑剂加重磨损，就会导致堆积成褐色浆状的沉积物和薄膜状的或透明的沉积物。这些会造成不良的摩擦问题，并且可以使轴损伤达到顶峰。

（2）原因。侧面磨损（接触腐蚀）的原因有：车辆的往复负荷振动，如高速挡驾驶时以较低的行驶速度；曲轴上的减震器有缺陷；传动轴不平衡；跟发动机有关的因素，如错误地设置高压油泵，润滑油没有按照ZF说明书规定使用、不恰当或不正确的润滑。

（3）措施。在售后服务方面进行检查，不重复使用轴，检查零件侧面配合情况，确保零件润滑是可以的。

2案例分析

案例一：某装载机上的BP230变速箱泵轴断裂问题分析。

2.1故障描述

客户反馈交车的当晚司机工作时（整车工作时间9h），突然听到一声异响后就出现整车无转向和工作液压系统无动作，但行走正常。维修人员现场检查，确定故障属实。现场进行拆检，拆检工作泵，工作泵正常，拆检转向泵，发现转向泵与工作泵的连接处有铁屑及铜屑，转向泵轴卡死无法转动，启动车观察变速箱取力轴，发现取力轴在转动，发动机熄火后用手仍然可以转动变速箱取力轴[5]。

2.2失效情况综述

售后送检4BP-230箱失效零件4681354001泵轴1件，故障箱信息详见送检单2020052，失效形态如附图，断口已完全磨损。

上紧弹性板在变矩器上的4颗螺栓被拆过，泵轴已断成两端。一段在断在变矩器的花键内。泵轴的材料和热处理检测合格。泵轴上的轴承正常转动，无卡滞现象。

2.3材料检验

2.3.1化学成分

材料所含化学成分具体如表1所示。

由表1可知：图纸要求材料为ZF7B，实测值符合图纸要求。

2.3.2渗碳淬火各项技术指标

（1）表面硬度（HRC）。

理论值：要求轴部外圆的表面硬度在81～83HRC之间。

实测值：实际测得的表面硬度为82HRC，符合理论要求。

（2）心部强度（HBW）。

理论值：心部强度需要达到或超过900N/mm²。

实测值：实测心部强度为995N/mm²，超出了最低理论要求。

（3）有效硬化层深度（mmEHT）。

理论值：有效硬化层深度应在0.4～0.7mm之间。

实测值：实测值为0.68mm，接近理论值的上限，但仍在要求范围内。

（4）残余奥氏体（%）。

理论值：残余奥氏体的比例应该小于或等于30%。

实测值：实测值为3%，远低于理论上限，显示了优良的材料性能。

（5）渗碳体（%）。

理论值：渗碳体的比例应为0%。

实测值：实测值也为0%，完全符合理论要求。

（6）心部铁素体（%）。

理论值：心部铁素体的比例应小于或等于5%。

实测值：实测值为0%，表明心部铁素体的比例非常低，优于理论要求。

实测值在所有指标上都达到或超过了理论值的要求，显示了轴部外圆材料的优良性能和质量。特别是在残余奥氏体、渗碳体以及心部铁素体的控制上，实测结果显示出比理论要求更好的性能，这会对材料的使用寿命和可靠性产生积极影响。

2.3.3显微组织

试样由表及里的组织为残余奥氏体+针状马氏体、针状马氏体+板条马氏体（即混合马氏体）、板条马氏体。零件由表及里的组织符合渗碳淬火零件的组织[6]。

3结语

工程机械变速箱上的轴失效及损坏的原因多种多样。取力处连接轴断裂，在低速大扭矩的长期作用下，存在疲劳断裂或过载损坏的可能，最终导致输出轴花键末端发生断裂。这也反映出车辆长期过载使用，会对轴的寿命产生较大的负面影响。了解了变速箱轴失效的相关知识，对判断失效零件分析、变速箱内部故障分析会有比较大的帮助。由于导致轴失效的原因很多，判断比较复杂，这就要求我们除了掌握更多的专业知识外，还须在实际的拆装过程中能够按照工艺安装要求，正确安装变速箱及外部取力零件，按时对机器进行操作、维护和保养，减少故障的发生。另外，在分析和处理失效时按照从易到难的顺序，根据失效零件、放油异物准确地找出导致失效的根本原因，延长机器的使用寿命和提高机器的工作效率。

参考文献

[1]毛晗.汽车变速箱故障诊断与维修[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2022，34（2）：31-34.

[2]蓝伟铭.WG系列工程机械变速箱测试系统的设计及应用[J].装备制造技术，2022（7）：4-9.

[3]石国国，詹东安.基于工程机械整车动力传动系统仿真的变速箱载荷谱编制方法研究[J].建筑机械，2022（4）：59-62.

[4]邓杰武，李芬芳.工程机械变速箱壳体再制造修复研究及应用[J].装备制造技术，2018（9）：134-137，157.

[5]陈素姣，明君剑.工程机械变速箱圆锥滚子轴承游隙的测量与调整分析[J].机械制造，2017，55（3）：64-67.

[6]李留柱.基于工程机械上液压机械传动的应用分析[J].现代制造技术与装备，2019（4）：85-86.