矿井提升机减速器齿轮开裂分析

　　矿井提升机减速器齿轮开裂分析矿井提升机减速器齿轮开裂分析bookmark0王蓓蕾1康学勤2bookmark1 1中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008 2中国矿业大学材料科学与工程学院fcj矿主井提升绞车减速器二级齿轮在安装使用不到2年时发生齿轮齿面开裂，而该设备按设计要求应正常运行15年以上。矿井提升绞车不仅担负着矿井煤炭提升运输的主要任劳，而且还承担人员的运输工作，旦减速器齿轮开裂造成齿轮断裂导致提升机失控，对矿井生产和安全将造成严重影响。

　　因此有必要对开裂的齿轮进行综合分析，查找造成齿轮开裂的原因，以避免事故的发生。

　　1开裂齿轮的开裂情况分析bookmark2开裂的齿轮的整体形态如所示。齿圈材料为ZC45，加工后热压套装在齿圈上。啮合的一对齿轮中的?个齿轮发生齿面开裂，另?未发现开裂。齿轮开裂已穿透整个齿轮圈，在原过盈力作用下，裂纹最大张开竞度约5mm.齿面裂纹有八B、C三条，如所示。从裂纹尺寸和分布情况可确定A裂纹为主裂纹。当A裂纹快速扩展穿透整个齿面时，齿间拟合状态破坏，与断齿相邻的两个齿面在传动过程中被挤压开裂。

　　为了确定齿轮开裂的性质，将开裂齿轮打开，得到的齿轮开裂面形态如所示。可见，开裂裂纹源位于齿轮齿根处。从裂纹扩展宏观形态可以确定，属于疲劳断裂。裂纹疲劳扩展区比较光亮，呈半椭圆形形态，可隐约观察到裂纹扩展过程中形成的疲劳弧线。裂纹疲劳扩展到一定尺寸后在外力作用下快速扩展，形成过载断裂形态，在疲劳断裂区边缘有明显的裂纹扩展形成的撕裂棱，开裂面粗糙，呈清晰的放射状。

　　整个齿轮的齿面损伤比较严重。在开裂的齿面和没有开裂的齿面上，均有大量的麻点，有的地方已形成剥落坑，见。

　　3和表明，在齿根断裂源区，开裂面呈现枯木状断裂形态，其上有许多块状碎裂的夹杂物以及二次裂纹；断口上难以观察到明显的疲劳断裂形成的疲劳条痕，只在局部晶粒上有类似于疲劳条痕的断裂形态，在二次裂纹部位可以观察到裂纹内有较多的碎块状夹杂，两侧晶粒有明显的摩擦痕迹，断面边缘也有明显的磨损挤压形态，局部的微孔深、孔口小2齿轮材料金相组织与性能分析bookmark5为了进一步确定齿轮断裂的原因，在断裂的齿面不同部位取样，进行金相分析，各部位典型组织形态如所示。从齿轮轮齿不同部位的金相组织形态可知，齿轮齿面的组织形态特征与心部基本相同。组织中有较大的夹杂物和铸造缺陷。这是导致材料疲劳强度降低的主要因素。

　　取断齿及相邻的轮齿，检验齿轮的硬度，结果列于表1和表2.齿轮硬度较低，齿面硬度只有HRC3Q与齿轮心部硬度相差不大。尤其齿根硬度偏低，只有HRC25.属于夹杂脱落导致。

　　矿井提升机减速器齿轮开裂分析以确定，齿轮的断裂属疲劳断裂。导致齿轮早期断裂的根本原因主要是：面尤其是齿根部位硬度偏低。一方面，齿轮根部要承受齿轮运转中轮齿啮合时的较大弯曲应力；啮合表面产生较严重的磨损和接触疲劳，形成齿面上的剥落坑，过程中产生冲击和较大的振动。

　　能承受这样的载荷，疲劳裂纹即从轮齿根部形成并扩展；（2）粗大的铸态组织和夹杂物以及钢中的铸造缺陷提高了裂纹的扩展速率，导致疲劳裂纹快速扩展，加速了断裂的过程；（3）从齿轮齿面磨损和剥落坑形态以及断齿的疲劳区与最后瞬断区的比例可以看出：齿轮的实际运行载荷较大，为裂纹的形成和扩展提供了力学条件。

　　大量的实验表明：承受交变载荷的零件的表面硬度对零件的疲劳寒命有很大影响。本分析中，齿轮表1单齿硬度测试结果（hv）轮齿表层硬度与轮齿中心硬度基本相同，而且齿根的硬度还低于齿顶和齿面的硬度，可见该齿轮加工后没有进行有效的热处理，即使对表面进行了火焰淬火处理，也因淬硬层薄，起不到明显的改善材料疲劳强度的作用。

　　关于金属组织对疲劳寒命的影响的研究结果比较复杂，缺乏必要的对比数据，但普遍的认为钢中的缺陷对疲劳强度有较大的影响，这一影响要比对静载强度的影响大得多，金属的疲劳极限随晶粒的增大和缺陷的增多而降低，而疲劳断裂概率明显增加。本次断齿的金相组织粗大，有严重的铸造缺陷和夹杂物，严重降低齿轮的疲劳寒命。疲劳裂纹扩展速率与晶粒尺寸呈线性关系；在疲劳裂纹扩展前沿，夹杂物极易形成微裂纹，加速疲劳裂纹扩展；在疲劳裂纹扩展前沿形成应力集中，使实际应力水平提高，促进裂纹扩展；钢中的夹杂物和铸造缺陷导致材料的脆性增大，强度和韧性降低，导致快速的脆性断裂。

　　（1）齿轮的断裂属于疲劳断裂，疲劳裂纹起源于轮齿根部。轮齿根部承受最大的交变应力，当材料疲劳强度不足以承受载荷作用力时，即发生疲劳性质的（2）齿轮材料存在较严重的组织缺陷，有铸造缺陷和较大尺寸的夹杂物，这使得材料的疲劳抗力降低。

　　（3）齿面硬度相对较低，致使齿轮在传动过程中齿面形成严重磨损，在接触应力作用下，齿面形成接触疲劳损伤。尤其齿根硬度偏低，疲劳抗力低，不足以承受弯曲应力以及齿面损伤形成的振动和冲击载荷作用。