理化检测与失效分析公众号：是陕西省机械工程学会理化检验分会为理化分析及工程技术人员提供的学习交流平台，以化学分析、金相检测、力学性能测试、失效分析、实验室管理、认证相关知识为主，以铸造、锻压、焊接、热处理、3D打印、激光熔覆、机加工、机械设计、智能制造等知识为辅的行业技术学习交流公众号。点击标题下方蓝色“理化检测与失效分析”免费关注，我们将为您提供最新的理化技术、失效分析、铸锻焊、热处理等方面知识的延伸阅读。
采煤机齿轮片状剥落与断齿原因分析
王培科 王维发 王 洋 孙 萌
（西安煤矿机械有限公司，西安710032）
摘要：采用宏观检测、理化分析、力学校核及所使用的工矿条件对采煤机齿轮片状剥落与断裂原因的进行了综合分析。结果表明：齿轮使用环境恶劣、制造质量缺陷及设计接触强度高是齿轮片状剥落与断裂的主要原因，并提出了合理的预防与改进措施。
关键词：齿轮；剥落；片状剥落；磨削淬火层；应力；接触疲劳强度；
中图分类号：TG115.2 文献标志码：B
Analysis on the causes of gear pitting and broken teeth of Shearer
（Xi,an Coal Mining Machinery Co.,Ltd., Xi,an710032,China）
Abstract:A comprehensive analysis of the causes of the pitting and fracture of the gear of the coal mining machine is carried out by means of macroscopic examination, physical and chemical analysis, mechanical checking and the industrial and mining conditions used. The results show that the main reasons of gear pitting and fracture are the harsh environment of the gear, the defect of the manufacturing quality and the high contact strength.
Keywords:gear；exfoliation；pitting wear;stress;contact fatigue strength;
0 引言
某公司所生产的采煤机在某矿使用3个月，累计采煤约54万吨后，左摇臂出现冲击噪声异响，严重影响采煤的效率，采用艾默生公司生产的CSI2140振动分析仪对摇臂的各个齿轮传动部位进行检测，发现二轴的振动频率及振幅较大，经对摇臂拆开后发现轴齿轮齿面片状剥落、剥落与断齿。此矿位于陕北侏罗纪煤田，开采的工作面煤层平均厚度4.36m，结构较复杂，含夹矸2～3层，夹矸厚度0.4～0.6m ，顶板岩性多为细砂岩、粉砂岩为主，次为泥岩，底板岩性以粉砂岩为主，其次为泥岩及粉砂岩。煤层硬度系数目前f3～f4,工作面长度310米，走向长度约2260m,年设计能力350万吨，工作面来压较慢，初采都采用强行放顶，向前推进快，煤层来压慢，采煤机割过后都是较齐的煤壁，比较坚硬。为防止此类事件再次发生，特对已损坏轴齿轮进行理化检测分析。
1 理化检验
1.1宏观分析
已损坏的轴齿轮位于左摇臂二轴部位，起到传动并减速的作用，见图1～2，与其啮合的惰轮并未发生损坏，而此轴齿轮轮齿的部分齿面节圆附近发生剥落与断齿，剥落深度为0.5-1.8mm，断口呈疲劳断裂，疲劳源位于齿轮轮齿齿面剥落点，此轴齿轮m=9，z=39,其中有4个连续齿的同侧齿面发生损坏，剥落区面积分别约为10mm×510mm、9mm×510mm、10mm×500mm、8mm×280mm,见图3～4。
1.2化学成分分析
在失效齿轮上取样进行化学成分分析，结果见表1，判定齿轮材料为18Cr2Ni4WA钢，可见各元素含量均符合GB/T3077-2015的技术要求。
表1失效齿轮的化学成分（质量分数）
1.3金相及硬度检验
分别选取齿轮片状剥落最严重与未片状剥落的部位进行解剖，磨制、抛光成金相试样，采用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，按照JB/T6141.3—1992与GB/T13299—1991金相检测，检测结果见表2,并按GB/T9450—2005对齿轮的齿顶、剥落节圆、未剥落节圆区分别进行硬度梯度检测，结果见图3。
2 分析与讨论
2.1齿面金相组织对片状剥落的影响
由金相检测可知，未片状剥落齿面未发现磨削淬火层与再次回火层；片状剥落齿面存在磨削淬火层与再次回火层，从齿面节圆向齿顶或齿根，磨削淬火层厚度逐渐变薄，片状剥落区均分布在磨削淬火区；磨削淬火层组织是未回火的针状马氏体及少量残余奥氏体，硬度高（691HV），比较脆，在齿轮啮合承载下易产生裂纹，次表层为再回火层（532HV），硬度降低，承载力下降，进一步加剧了齿面的片状剥落速度。因此，齿面存在磨削淬火层与再次回火层是齿轮产生片状剥落根本原因。
2.2齿面有效硬化层深度对片状剥落的影响
齿轮齿面接触应力的峰值随曲率半径的增大逐渐移至深处，同样，齿面剪切应力的峰值也会随曲率半径的增大从表面逐渐向里移动，见图14～15。齿轮属线接触传动，两圆柱体接触沿Z产生两种剪切应力，其中沿中心线呈45度的逐渐且应力沿Z轴的深度为0.786b，剪切应力沿滚动方向平行，其沿Z轴的深度为0.5b（b为接触宽度之半）。当接触应力及剪切应力大于硬度决定的强度时，就会引起齿轮的片状剥落与剥落，因此，应增加齿轮的有效硬化层深度，但过深的硬化层深度会降低齿轮的韧性，易致使齿角变脆剥落，齿轮抗冲击性降低，且增加了渗碳时间与热处理变形，因此应选择合理的有效硬化层深度。
2.3齿面磨削量对片状剥落的影响
齿轮的齿面有效硬化层深度不符合技术要求，而齿顶的有效硬化层深度符合技术要求，且齿顶的渗碳层深度、有效硬化层深度均被齿面多0.6～0.7mm，左侧齿面实际磨削量为0.6mm，右侧齿面磨削量为0.7mm，大于技术要求的0.3～0.4mm，较大的磨削量降低了齿面硬度，减薄了有效硬化层，丧失了表面良好的残余压应力，过量的磨削会使齿轮表面的载荷应力发生变化，如图16所示，在磨削前，齿轮表面的载荷应力均低于硬化层的强度梯度，而磨削后，D点之后的载荷应力就会大于硬化层的强度梯度，就会落在渗碳硬化层的过渡区，从而增加了齿轮深层剥落的倾向性，所以，有时在对深层剥落齿轮的硬化层进行硬度和金相分析时并未发现问题，其实，这是因为忽略了因过大的磨削余量而产生的剪切应力曲线位移使过渡区强度低于载荷应力所致；左齿面硬度低于右齿面，从金相检测结果可以看出，右齿面表面存在0.08mm的磨削淬火层，以下表格所写余量均为双边，从表3可以看出，损坏齿轮实测余量远大于机械余量手册的要求。
3 结论及预防措施
齿轮的成分、齿面硬度、有效硬化层深度、渗碳层组织均符合技术要求,齿面存在磨削淬火层与再次回火层是齿轮产生片状剥落根本原因。预防措施：（1）细化并优化热处理工艺及装炉工序，减少齿轮变形。（2）严控齿轮滚齿余量，减小实际磨削余量；（3）优化磨削工序，减少磨削淬火层产生的几率。（4）在磨削后，增加低温回火工序，减少磨削应力，改善磨削层组织，提高齿面磨削组织韧性。
参考文献：
[1]孙胜伟，宋亚虎，刘铁山等.20CrMnMo钢渗碳齿轮磨削裂纹成因分析[J].理化检验-物理分册，2016（2）：117-120.
[2]王培科，王维发.满滚子轴承滚柱脱落与掉块原因分析[J].理化检验-物理分册，2010（12）：791-793.
[3]张展.齿轮传动的失效及其对策[M].北京：机械工业出版社，2011；126-127.
[4]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京：机械工业出版社,2002;264.
[5]王培科.弹簧挡圈磨裂原因分析及防治措施[J].机械工程师，2011（11）；126-127.
End | 
