礦井提升機減速器齒輪開裂分析

時間:2015-12-14 14:59:00 來源:中國建筑機械網 添加人:admin

  礦井提升機減速器齒輪開裂分析礦井提升機減速器齒輪開裂分析bookmark0王蓓蕾1康學勤2bookmark1 1中國礦業大學機電工程學院江蘇徐州221008 2中國礦業大學材料科學與工程學院fcj礦主井提升絞車減速器二級齒輪在安裝使用不到2年時發生齒輪齒面開裂,而該設備按設計要求應正常運行15年以上。礦井提升絞車不僅擔負著礦井煤炭提升運輸的主要任勞,而且還承擔人員的運輸工作,旦減速器齒輪開裂造成齒輪斷裂導致提升機失控,對礦井生產和安全將造成嚴重影響。

  因此有必要對開裂的齒輪進行綜合分析,查找造成齒輪開裂的原因,以避免事故的發生。

  1開裂齒輪的開裂情況分析bookmark2開裂的齒輪的整體形態如所示。齒圈材料為ZC45,加工后熱壓套裝在齒圈上。嚙合的一對齒輪中的―個齒輪發生齒面開裂,另―未發現開裂。齒輪開裂已穿透整個齒輪圈,在原過盈力作用下,裂紋最大張開競度約5mm.齒面裂紋有八B、C三條,如所示。從裂紋尺寸和分布情況可確定A裂紋為主裂紋。當A裂紋快速擴展穿透整個齒面時,齒間擬合狀態破壞,與斷齒相鄰的兩個齒面在傳動過程中被擠壓開裂。

  為了確定齒輪開裂的性質,將開裂齒輪打開,得到的齒輪開裂面形態如所示。可見,開裂裂紋源位于齒輪齒根處。從裂紋擴展宏觀形態可以確定,屬于疲勞斷裂。裂紋疲勞擴展區比較光亮,呈半橢圓形形態,可隱約觀察到裂紋擴展過程中形成的疲勞弧線。裂紋疲勞擴展到一定尺寸后在外力作用下快速擴展,形成過載斷裂形態,在疲勞斷裂區邊緣有明顯的裂紋擴展形成的撕裂棱,開裂面粗糙,呈清晰的放射狀。

  整個齒輪的齒面損傷比較嚴重。在開裂的齒面和沒有開裂的齒面上,均有大量的麻點,有的地方已形成剝落坑,見。

  3和表明,在齒根斷裂源區,開裂面呈現枯木狀斷裂形態,其上有許多塊狀碎裂的夾雜物以及二次裂紋;斷口上難以觀察到明顯的疲勞斷裂形成的疲勞條痕,只在局部晶粒上有類似于疲勞條痕的斷裂形態,在二次裂紋部位可以觀察到裂紋內有較多的碎塊狀夾雜,兩側晶粒有明顯的摩擦痕跡,斷面邊緣也有明顯的磨損擠壓形態,局部的微孔深、孔口小2齒輪材料金相組織與性能分析bookmark5為了進一步確定齒輪斷裂的原因,在斷裂的齒面不同部位取樣,進行金相分析,各部位典型組織形態如所示。從齒輪輪齒不同部位的金相組織形態可知,齒輪齒面的組織形態特征與心部基本相同。組織中有較大的夾雜物和鑄造缺陷。這是導致材料疲勞強度降低的主要因素。

  取斷齒及相鄰的輪齒,檢驗齒輪的硬度,結果列于表1和表2.齒輪硬度較低,齒面硬度只有HRC3Q與齒輪心部硬度相差不大。尤其齒根硬度偏低,只有HRC25.屬于夾雜脫落導致。

  礦井提升機減速器齒輪開裂分析以確定,齒輪的斷裂屬疲勞斷裂。導致齒輪早期斷裂的根本原因主要是:面尤其是齒根部位硬度偏低。一方面,齒輪根部要承受齒輪運轉中輪齒嚙合時的較大彎曲應力;嚙合表面產生較嚴重的磨損和接觸疲勞,形成齒面上的剝落坑,過程中產生沖擊和較大的振動。

  能承受這樣的載荷,疲勞裂紋即從輪齒根部形成并擴展;(2)粗大的鑄態組織和夾雜物以及鋼中的鑄造缺陷提高了裂紋的擴展速率,導致疲勞裂紋快速擴展,加速了斷裂的過程;(3)從齒輪齒面磨損和剝落坑形態以及斷齒的疲勞區與最后瞬斷區的比例可以看出:齒輪的實際運行載荷較大,為裂紋的形成和擴展提供了力學條件。

  大量的實驗表明:承受交變載荷的零件的表面硬度對零件的疲勞寒命有很大影響。本分析中,齒輪表1單齒硬度測試結果(hv)輪齒表層硬度與輪齒中心硬度基本相同,而且齒根的硬度還低于齒頂和齒面的硬度,可見該齒輪加工后沒有進行有效的熱處理,即使對表面進行了火焰淬火處理,也因淬硬層薄,起不到明顯的改善材料疲勞強度的作用。

  關于金屬組織對疲勞寒命的影響的研究結果比較復雜,缺乏必要的對比數據,但普遍的認為鋼中的缺陷對疲勞強度有較大的影響,這一影響要比對靜載強度的影響大得多,金屬的疲勞極限隨晶粒的增大和缺陷的增多而降低,而疲勞斷裂概率明顯增加。本次斷齒的金相組織粗大,有嚴重的鑄造缺陷和夾雜物,嚴重降低齒輪的疲勞寒命。疲勞裂紋擴展速率與晶粒尺寸呈線性關系;在疲勞裂紋擴展前沿,夾雜物極易形成微裂紋,加速疲勞裂紋擴展;在疲勞裂紋擴展前沿形成應力集中,使實際應力水平提高,促進裂紋擴展;鋼中的夾雜物和鑄造缺陷導致材料的脆性增大,強度和韌性降低,導致快速的脆性斷裂。

  (1)齒輪的斷裂屬于疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于輪齒根部。輪齒根部承受最大的交變應力,當材料疲勞強度不足以承受載荷作用力時,即發生疲勞性質的(2)齒輪材料存在較嚴重的組織缺陷,有鑄造缺陷和較大尺寸的夾雜物,這使得材料的疲勞抗力降低。

  (3)齒面硬度相對較低,致使齒輪在傳動過程中齒面形成嚴重磨損,在接觸應力作用下,齒面形成接觸疲勞損傷。尤其齒根硬度偏低,疲勞抗力低,不足以承受彎曲應力以及齒面損傷形成的振動和沖擊載荷作用。

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