變速箱機(jī)械齒輪軸的斷裂分析

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，大多是借助機(jī)械化力量來完成大規(guī)模、精細(xì)化的生產(chǎn)任務(wù)的。其中，在世界工業(yè)體系中齒輪機(jī)的問世為機(jī)械裝置注入了現(xiàn)代化的新鮮血液。當(dāng)傳統(tǒng)的變速齒輪在正常運(yùn)作時(shí)，其變速軸體在旋轉(zhuǎn)的過程中受到了由于重力而產(chǎn)生的離心力以及周期性變化的氣體慣性、往復(fù)慣性的合力作用。本文主要以某臺(tái)變速箱機(jī)械齒輪在投入生產(chǎn)一段時(shí)間周期以后，產(chǎn)生了齒輪軸的斷裂事故。為進(jìn)一步明確發(fā)生斷裂的具體原因和系統(tǒng)存在的缺陷，優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)體系并在后續(xù)的生產(chǎn)中加強(qiáng)設(shè)計(jì)以及檢測、維修的力度，對該變速箱機(jī)械齒輪進(jìn)行了綜合的試驗(yàn)，希望能夠?yàn)楫a(chǎn)品的失效分析提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

01

變速箱機(jī)械齒輪軸斷裂的檢測方法

該變速箱機(jī)械齒輪的軸體制作的材料是強(qiáng)度等級為 35 的鋼鐵。首先，在進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測時(shí)，通過對機(jī)械齒輪的軸體整體部位從外表上進(jìn)行觀察，從宏觀的形態(tài)變化上進(jìn)行斷裂的位置節(jié)點(diǎn)判斷及確立。從微觀的外形樣貌能譜分析、金屬組織觀察、材料化學(xué)性質(zhì)的檢測、材料力學(xué)性質(zhì)的檢測與產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量保證體系相互比較，進(jìn)而初步確立變速箱機(jī)械齒輪軸體發(fā)生斷裂的原因，判斷是否與生產(chǎn)的質(zhì)量不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在完成上述環(huán)節(jié)以后，可采用具有一定精細(xì)密度的設(shè)備對產(chǎn)生斷裂處進(jìn)行微型組織的提取和檢測。本文是采用美國生產(chǎn)的 FEI Quanta 200 型號的掃描電鏡。將提取的材料進(jìn)行一定的處理，過線切割、人工打磨、機(jī)械拋光等等以后，利用電鏡以及金屬組織顯微鏡進(jìn)行材料金相組織的觀察。對于軸體鋼材的力學(xué)性質(zhì)，可采用國家關(guān)于金屬材料的拉升試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，將取樣的樣品在外形上打磨加工成 V 型，其具體尺寸要求為 10mm*10mm*55mm，根據(jù)質(zhì)量規(guī)范要求在試驗(yàn)的機(jī)床上進(jìn)行室內(nèi)常溫沖擊試驗(yàn)。

02

試驗(yàn)結(jié)果分析

宏觀層面的外形：將變速箱機(jī)械齒輪的軸體從斷裂的部分進(jìn)行宏觀層面的觀察，發(fā)現(xiàn)，其具體的齒輪軸體斷裂位置是位于螺桿和螺帽的配合連接處，且斷裂的方式為疲勞性斷裂。觀察斷裂的紋路可得，發(fā)生斷裂的源頭起始于軸體的一側(cè)的表面螺紋根部。在強(qiáng)應(yīng)力的作用下，其延展的方向向橫向斷面開始擴(kuò)展，并迅速至圓柱的背面，從而產(chǎn)生縱向化的斷裂。在橫向區(qū)域的斷裂處不難發(fā)現(xiàn)，整體的疲勞區(qū)面積約占斷口面積的 1/3，進(jìn)而表明了齒輪在實(shí)際的生產(chǎn)生活中承受著較大強(qiáng)度的應(yīng)力作用，且具有一定的往復(fù)循環(huán)性。在進(jìn)行斷裂宏觀外形的觀察和檢測時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯特征的彈性變化或質(zhì)量缺陷。 

斷裂材料組織的化學(xué)成分、力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)對變速箱機(jī)械齒輪的軸體材料相關(guān)屬性進(jìn)行檢測的時(shí)候，對于其化學(xué)成分以及性質(zhì)的檢測可采用常見的等離子光譜法。根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)顯示，可以看出變速箱的齒輪軸體材料化學(xué)成分滿足國家相關(guān)質(zhì)量規(guī)范要求，進(jìn)而排除了由于齒輪軸體自身材料化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)所產(chǎn)生的斷裂。同樣的，對軸體進(jìn)行熱感拉伸試驗(yàn)得出，軸體的抗拉強(qiáng)度是滿足規(guī)范要求的。

斷裂口處的微觀檢測和處理：借助微型顯微鏡觀察軸體的斷口，在其外形外貌上不難看出，機(jī)械齒輪軸在斷裂處的組織磨損程度較大。在結(jié)構(gòu)的邊部有一定的臺(tái)階，存在明顯的疲勞性拓展弧線。其中，邊部的延展線向中心部進(jìn)行了拓展約為 2mm。觀察斷口處的樣貌，在橫向斷口處有明顯可見的韌窩狀。此外，不論是從中心源區(qū)還是延展區(qū)、斷裂區(qū)都可以觀察到整個(gè)斷口處沒有大面積的雜質(zhì)和其他金屬質(zhì)量缺陷。在進(jìn)行源區(qū)域周圍的金屬組織觀察，可以看出其根部的螺紋沒有出現(xiàn)明顯的裂痕或缺陷，其結(jié)構(gòu)組織為正常的回火索氏體，邊部也沒有出現(xiàn)相對的碳化現(xiàn)象。在*靠近中心部的基體上，組織結(jié)構(gòu)仍舊保留為原來的體系，也沒有出現(xiàn)一定的氣孔和冶金缺陷。由此可見，經(jīng)過系統(tǒng)的綜合性分析，當(dāng)軸體在自身力學(xué)性能較弱的情況下，由于往復(fù)且循環(huán)的外應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致齒輪的軸體出現(xiàn)斷裂。其產(chǎn)生疲勞裂痕的開端是在外力集中在根部螺紋時(shí)，經(jīng)過短暫的擴(kuò)充以后，從橫向以及縱向兩個(gè)方位進(jìn)行*終的組織斷開。

03

結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)變速箱機(jī)械齒輪軸體材料的化學(xué)成分和力學(xué)性質(zhì)在嗎，滿足國家生產(chǎn)質(zhì)量安全等有關(guān)規(guī)范時(shí)，對其進(jìn)行宏觀和微觀上測試發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生斷裂的主要原因在于它結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織的疲勞。主要疲勞集中點(diǎn)位于應(yīng)力較為大的螺紋根部上，并經(jīng)過短期的延伸后造成斷裂。因此，在此基礎(chǔ)上要進(jìn)一步加強(qiáng)對軸體根部組織的抗拉能力，以改善出現(xiàn)的問題。