端齒盤嚙合結(jié)構(gòu)常用于壓縮機(jī)齒輪軸與葉輪的連接固定，該結(jié)構(gòu)具有傳遞扭矩大、傳遞平穩(wěn)、對中性好、可頻繁拆卸等優(yōu)點(diǎn)。某壓縮機(jī)運(yùn)行約1 a后，其5級葉輪側(cè)的齒輪軸端齒盤發(fā)生斷齒現(xiàn)象，其他各級端齒盤均未發(fā)現(xiàn)裂紋或斷齒缺陷，斷裂端齒副的宏觀形貌如圖1所示。該齒輪軸的材料為18CrNiMo7-6鋼，經(jīng)鍛造、粗加工后，對其整體進(jìn)行滲碳淬火，以滿足斜齒輪的滲碳層要求。軸端齒采用切削加工，切削掉滲碳層后，齒面應(yīng)滿足材料滲碳淬火心部的組織與硬度要求。該壓縮機(jī)的工作介質(zhì)為N2，工作溫度約為80 ℃。服役時(shí)，該級齒輪軸端齒盤（主動(dòng)端）帶動(dòng)葉輪端齒盤（從動(dòng)端）做逆時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，對N2進(jìn)行壓縮。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法查明了軸端齒的斷裂原因，并提出了改進(jìn)建議，以避免該類問題再次發(fā)生。

圖  1  斷裂端齒副的宏觀形貌

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

軸端齒斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷裂均發(fā)生在沿單齒齒寬方向的外端，斷口無塑性變形，呈宏觀脆性斷裂特征；斷口1與軸向約呈45°，存在臺階特征，臺階收斂于承載側(cè)齒面的磨痕處；斷口2可見多個(gè)大致平行的臺階，臺階同樣起源于承載側(cè)齒面的磨痕處，說明該處為斷口2的裂紋源區(qū)；斷口2裂紋擴(kuò)展前期較平坦，大致與軸向垂直，擴(kuò)展后期斷口與軸向約呈45°。

圖  2  軸端齒斷口的宏觀形貌

未斷裂軸端齒的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：承載側(cè)齒面上均存在磨痕，沿齒寬方向的外端磨痕光亮，內(nèi)端磨痕暗淡，部分齒面的亮區(qū)與暗區(qū)界限清晰，與軸向約呈45°，與斷口的方向大致相同；非承載側(cè)齒面上同樣存在不同程度的摩擦損傷。

圖  3  未斷裂軸端齒的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

對斷裂端齒盤進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂端齒盤的化學(xué)成分符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對18CrNiMo7-6鋼的要求。

1.3   力學(xué)性能測試

對斷裂齒面進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂齒面的硬度不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

對5級葉輪側(cè)的中心拉桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，可見其拉伸性能符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

對軸端齒斷口進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋均起源于齒面磨痕處，疲勞臺階清晰可見；斷口1裂紋擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞輝紋和二次裂紋，斷口2裂紋擴(kuò)展區(qū)可見交變載荷作用下的擠壓痕跡，兩斷口均符合疲勞斷裂的形貌特征；瞬斷區(qū)可見韌窩花樣，深度約為36 μm。

圖  4  軸端齒斷口的SEM形貌

對斷口1源區(qū)附近的齒面進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：低倍下，可見層狀的摩擦條痕，磨光區(qū)與粗糙區(qū)交替分布；高倍下，磨光區(qū)呈犁溝特征，存在微裂紋，粗糙區(qū)可見磨屑堆積和材料剝落后形成的麻坑。

圖  5  斷口1源區(qū)附近齒面的SEM形貌

對磨屑進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：磨屑中含有Ni、Nb、Ti、Al等元素，為端齒副中葉輪端齒（Inconel 718合金）的元素成分；N元素為壓縮機(jī)介質(zhì)元素；除葉輪、介質(zhì)和軸端齒的基體元素外，磨屑中還含有鐵的氧化物。

圖  6  齒面磨屑的能譜分析結(jié)果

1.5   金相檢驗(yàn)

截取垂直于軸端齒斷口的剖面試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀形貌，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷口1、斷口2裂紋源區(qū)的齒面上可見多個(gè)大小不等的麻坑；顯微組織為低碳回火馬氏體，無氧化、脫碳現(xiàn)象，符合滲碳淬火的心部組織要求。

圖  7  軸端齒斷口剖面試樣的微觀形貌

截取垂直于未斷裂單齒的剖面試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀形貌，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：齒面兩側(cè)均存在麻坑，疲勞主裂紋起源于齒面麻坑處，存在二次裂紋。

圖  8  未斷裂單齒剖面試樣的微觀形貌

依據(jù)GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》對斷裂軸端齒的晶粒度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，可見其奧氏體晶粒度為8級，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（不小于5級）。

圖  9  斷裂軸端齒的晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》對斷裂軸端齒的非金屬夾雜物進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，斷裂軸端齒中的非金屬夾雜物符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂軸端齒的化學(xué)成分、晶粒度、非金屬夾雜物均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，顯微組織為低碳回火馬氏體，為滲碳淬火心部的正常組織，布氏硬度超出標(biāo)準(zhǔn)上限。斷口和齒面的宏觀及微觀觀察結(jié)果顯示，裂紋起源于齒面磨痕處；源區(qū)附近齒面的磨痕區(qū)域存在犁溝、微裂紋、磨屑堆積和剝落麻坑，磨屑中含有鐵的氧化物，為典型的微動(dòng)磨損形貌；斷口源區(qū)可見臺階特征，擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋、二次裂紋和交變擠壓痕跡，符合疲勞斷口的微觀形貌特征[1-2]；瞬斷區(qū)呈韌窩形貌，且深度僅為36 μm，說明軸端齒發(fā)生了高周低應(yīng)力作用下的疲勞斷裂。疲勞裂紋起源于齒面微動(dòng)磨損形成的麻坑處，因此微動(dòng)磨損是軸端齒疲勞斷裂的直接原因。

未斷裂齒面的承載側(cè)與非承載側(cè)均存在微動(dòng)磨損，且磨損形成的亮區(qū)、暗區(qū)交界處與斷口的相對位置和角度大致相同，均位于沿齒寬方向的外端，與軸向約呈45°，說明各齒面具有相似的應(yīng)力狀態(tài)，且齒面外端所受的接觸應(yīng)力較大。斷裂端齒盤為正梯形收縮齒形，該齒形在動(dòng)平衡條件下，齒面內(nèi)端齒尖處所受的接觸應(yīng)力最大，因此斷裂端齒盤在服役時(shí)存在偏載現(xiàn)象。

端齒副通過中心拉桿連接，裝配時(shí)對拉桿施加一定的軸向預(yù)緊力，使兩個(gè)端齒盤相互嚙合來傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩。該壓縮機(jī)在停機(jī)檢修時(shí)，除5級葉輪側(cè)的軸端齒斷裂外，其他各級軸端齒的齒面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，且齒形完好，說明軸端齒的齒形參數(shù)及中心拉桿的強(qiáng)度、剛度在設(shè)計(jì)上是合理的，齒面偏載與拉桿和齒形的設(shè)計(jì)無關(guān)。由端齒副的連接結(jié)構(gòu)可判斷，齒面偏載是由中心拉桿松弛造成的。

齒輪軸端齒盤在服役時(shí)，主要承受軸向預(yù)緊力Fa和扭矩Ma，將預(yù)緊力Fa在單齒承載側(cè)上的作用力F和由扭矩Ma產(chǎn)生的扭力Q分解為沿齒面方向的Ft、Qt和沿齒面法向的Fn、Qn，正常工況下Ft≥Qt可保證端齒副不脫齒，齒輪軸端齒盤及單齒的受力分析結(jié)果如圖10所示。中心拉桿發(fā)生松弛，會造成轉(zhuǎn)子不平衡并產(chǎn)生振動(dòng)，使軸端齒在接觸應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力形成的交變載荷下服役。中心拉桿的松弛，會使Ft不斷減小，導(dǎo)致齒面產(chǎn)生微小間隙，正梯形收縮齒形齒面的外端接觸間隙小于內(nèi)端，造成齒面外端接觸應(yīng)力過大，使軸端齒發(fā)生偏載現(xiàn)象。5級葉輪側(cè)中心拉桿的拉伸性能符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可排除因材料拉伸性能不合格造成的拉桿松弛，同時(shí)拉桿的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)合理，因此中心拉桿的松弛是由裝配預(yù)緊力不足造成的。

圖  10  齒輪軸端齒盤及單齒的受力分析結(jié)果

3.   結(jié)論與建議

該軸端齒的斷裂性質(zhì)為微動(dòng)疲勞斷裂。服役時(shí)，裝配預(yù)緊力不足使5級葉輪側(cè)的中心拉桿發(fā)生松弛，導(dǎo)致齒面發(fā)生微動(dòng)磨損，裂紋起源于微動(dòng)磨損形成的麻坑處，在交變載荷作用下，麻坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸端齒斷裂。軸端齒的硬度超出標(biāo)準(zhǔn)上限對疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展具有一定的促進(jìn)作用。

建議在轉(zhuǎn)子裝配時(shí)，嚴(yán)格按照中心拉桿的預(yù)緊力操作規(guī)程對端齒副進(jìn)行預(yù)緊，防止轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生間隙。調(diào)整齒輪軸的熱處理工藝，使軸端齒的強(qiáng)度、硬度控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值加強(qiáng)監(jiān)測，從監(jiān)測信號中預(yù)測中心拉桿或端齒副的接觸故障，并定期做好檢修維護(hù)，以防止發(fā)生設(shè)備失效事故。

文章來源——材料與測試網(wǎng)