煤炭粉碎机 失效分析.doc

煤炭粉碎机齿轮箱的失效分析
R.K.Pandey
译者:张志显,车辆0601班 200669050122
摘要
此调查研究煤炭粉碎机齿轮箱的过早失效。在许多完全破碎和断裂的齿牙中我们发现有很多产生自齿根圆并延伸至轮齿根部的裂纹。研究对此进行了微观结构分析,硬度测量,断口分析等等。发现齿轮的失效是由齿根圆的弯曲疲劳引起的,该区域主要由粗劣的铁碳化合物组成,直接导致硬度水平降低。可以通过改变齿根圆的结构组成使其具有硬度范围在55rc的优良的马氏体结构,以局部硬化齿根圆,提高齿轮箱的寿命。
关键词:齿轮箱,齿根圆,疲劳萌生,微观机制
1.介绍
煤电厂里煤炭粉碎机的齿轮箱在连续工作状态下预期的持续工作寿命超过52000小时。但在刚工作15000小时的时候,就有大量的轮齿破碎和失效。在工作期间,还没有改良设计的齿轮箱投入生产。同样还有那些在规定服务期间的操作条件和参数。变速箱的失效发生在预期寿命三分之一以下是相当令人惊讶的,这也需要详细的分析。
2. 齿轮箱详情
齿轮和轮齿的尺寸详见表-1。
变速器的额定功率是332HP,额定输出转速40rpm。齿轮材料详见表-2。齿轮是由EN-24锻造钢制得,并且是单件锻造制得。所有齿轮在850°C获得奥氏体组织,随后经过冷油淬火处理,并在620°C下回火。齿牙也被感应感化,并且平均硬度得益于齿轮的锻造条件和硬化条件,布氏硬度和洛氏硬度分别达到265BHN 和 61RC。
齿轮箱所用的润滑剂Servo Mesh SP-220在离心力的作用下对齿轮进行润滑,每个月对其更换回收。然而润滑油每年更换一次。最高冷却温度为70°C。
表-1
齿轮尺寸(采用螺旋伞齿轮)
外径 1270mm
内径 405mm
齿厚 275mm
当量齿数 116
齿顶高(h) 25mm
最大齿厚(t2) 23mm
最小齿厚(t1) 7mm
节距 35mm
表-2
齿轮组织及热处理(wt%)
组织 wt%
C 0.41
Mn 0.57
P 0.008
S 0.003
Ni 1.53
Cr 1.28
Mo 0.32
热处理
冷油淬火 850°C下保持5小时
回火温度候 620°C
性能
锻造硬度 260-269HBN
调质处理后齿牙的预期硬度 55-67RC
3.失效分析
3.1失效地点
齿轮箱的失效是在齿轮传动完全被妨碍,在打开齿轮箱之后发现的。失效出现在齿轮输出端。在所有齿中,有16个已破碎,除此之外,还有9个在破坏后分离并且破裂但是仍在齿轮箱里。坏掉的轮齿以2-5个为一系列,孤立地分布在圆周上。
被发现的裂纹发源于齿根圆中部并延伸至齿根区,传播方式如图-1(a)所示。在相邻的齿根圆发现了相同的裂纹,并且与前一裂缝相连(见图-1)。在某些情况下,裂纹也会产生自齿根拐角处(而并非齿根圆中部)并且按上述方式传播。像这样产生自相邻齿根圆的裂纹彼此相交并且沿轮齿延伸45-140mm不等。在扩展的第一阶段,裂纹移动至齿根区端面并沿齿长的方向延伸至整个齿厚。上述的裂纹扩展方式导致齿牙的一部分脱离齿轮并留下清晰的缺口(图1(b))。脱离齿牙的碎片厚度沿齿长不同,从齿根区域的25mm变化到另一端的0.5-1mm。啮合的小齿轮没有发现损害,也不存在可辨识的磨损痕迹。
图1(a).典型的裂纹起源于齿根圆
图1(b).裂纹引起的轮齿脱落
3.2.失效的整体特征
齿轮破碎的表面一般显示太多变形或扭曲。除了一些零星情况,塑性变形不引起断裂。从齿轮不同位置脱离的断牙在几何尺寸和外形上有着惊人的相似之处。在某些情况下,破坏的齿牙还将以同样的方式引起几块分裂。然而一个共同的特点是断裂中不存在塑形变形。
断口表面是极其平整的,整个区域没有太大的粗糙度。不过,破碎表面的颜色从表面附近沿齿厚方向由白到灰渐渐变为黑色。
4.齿轮的材料特性
为了探讨出合乎上述分析的材料结构和性能,我们选取了一个约3毫米厚从齿牙上脱离的碎片作为样本。在进行硝化和光蚀处理之后,我们对表面进行了显微成像。
4.1硬度分布
破碎齿牙的横截面的示意图为图2。在表面可以看到感应硬区明显的外观和图中标志为(1)和(2)。裂纹在齿根圆处的起始点在图中按左右分别标为A和B。裂纹扩展路径附近的区域按左右分别标记为(3)和(4)。
硬度测量是在(1)-(4)区域内进行的。此外也对表面上标记为(5)的剩余区域进行硬度测量。区域(5)同样包含具有不同色彩的区域,例如,蓝紫色的区域和桔黄色区域。
硬度值通过对维氏硬度试验机加载50g和100g测得。为了一致,把VPN硬度值转化为洛氏硬度,并列在表-3中。
色块的存在并不影响区域(5)的硬度值。事实上,这些色块,在擦亮样本后将会消失,表明其着色是在感应硬化中由加热引起的。区域(3)-(5)基本拥有一个范围的硬度水平,区域(1)和(2)却拥有另