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齿轮传动轴断齿原因分析

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记录号：JS-AL-转动设备（轴承和齿轮）-038
齿轮传动轴断齿原因分析
摘要：齿轮传动轴在使用过程中发现传动轴有3个齿断裂。

本文对齿轮传动轴断口的宏微观特征进行了观察与分析，并对材料的金相组织、渗层深度及心部硬度进行了检测分析，结果表明，传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂，径向窜动量较大是此次断裂的直接原因，传动轴的齿面渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是此次传动轴齿断裂的影响因素。

关键词：齿轮传动轴；径向窜动；材质；弯曲疲劳断裂 材料种类/牌号：合金钢/38CrMoAlA 概述
齿轮传动轴在使用过程中发现传动轴有3个齿断裂。

齿轮传动轴的材料为38CrMoAlA 结构钢，热处理工艺为调质处理，要求硬度为32HRC~36HRC ；机加后表面离子渗氮，要求：氮化层深度200μm~300μm ，表面硬度 ≥750HV ，心部硬度不降低，仍保持原始调质处理后的硬度。

本文对齿轮传动轴断口的宏微观特征进行了观察与分析，并对材料的金相组织、渗层深度及心部硬度进行了检测分析，在此基础上，确定了齿轮传动轴断裂性质，并对其产生原因进行了深入分析。

测试过程与结果 断口宏微观观察 将传动轴的3个断齿分别编号为断口A 、断口B 和断口C ，如图1所示，将其超声波清洗后，放入扫描下电镜下对断口特征进行观察分析。

图1 传动轴外观形貌 断口A 的低倍形貌见图2，从图2中可以大致把断口分为3个区域，整个断口的磨损较严重，但在中间部分可以观察到疲劳条带特征，见图3，在中间位置靠近两侧的位置可发现有韧窝特征，见图4。

在断口的两侧磨损较严重，但都可以观察到准解理特征，见图5。

在靠近断口边缘的啮合区域可以观察中国应急分网
到多条裂纹，见图6。

通过对断口的观察可知，该断口为两侧啮合区起源，然后在工作应力下疲劳扩展，直至断裂。

图2 断口A 齿的低倍形貌 图3 断口A 中间位置的疲劳条带形貌 图4断口A 中间位置的韧窝形貌 图5 断口A 边缘处形貌特征
图6 断口A 边缘处靠近啮合区域的低倍形貌 断口B 和断口C 的微观形貌与断口A 极为相似也是从两侧的啮合区起源，然后疲劳扩展直至断裂。

，断口磨损比较严重。

在中间位置可以观察到疲劳条带特征。

在中间靠近边缘处可见韧窝特征。

在断口的边缘处可见准解理特征。

啮合区域可见有较长的裂纹，其长度略小于啮合区域的长度。

在断口相邻的齿的齿顶处也清晰地可见剥落现象，如果继续工作，这就是后期断裂的接触疲劳源，中
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其形貌分别见图7。

在相邻齿的啮合区域表面损伤较重，可观察到轴向上损伤和表面裂纹，见图8。

图7 与断口相邻齿的疲劳剥落形貌 图8与断口相邻齿的表面损伤形貌 金相组织检查 在传动轴的径向方向取样，用4%的HNO3酒精腐蚀剂腐蚀后观察金相组织，其传动轴心部组织为回火索氏体，传动轴的金相组织见图9。

在啮合处表面几乎没有明显渗氮层的组织，未观察到明显的氮化物，见图10。

传动轴的金相组织均未见过热、过烧等组织缺陷，但齿的啮合区表面的渗层深度明显较小。

图9 传动轴心部的金相组织 图10 传动轴齿啮合处的渗层的组织 渗层深度及硬度测试 通过显微硬度仪分别对传动轴的齿的啮合区进行了硬度测试，并根据GB11354－2005对其渗层深度进行了测定。

从齿的啮合区外表面沿直线向齿内部进行硬度测量，最后用差值法测量渗层深度，其结果见表1。

表1 传动轴显微硬度测试结果 （HV0.3） 测试点 1 2 3 测试点距表面距离 0.10mm 0.15mm 0.20mm 渗氮层 深度 第一个齿HV0.3 749 453 379 190μm 第二个齿HV0.3 715 470 398 180μm 传动轴基体
第三个齿HV0.3 690 458 382 180μm 359 358 356 中
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由表1可知，共对两个齿进行了检测，齿的心部硬度平均值为357 HV0.3，三个齿的渗层深度分别为190μm 、190μm 、190μm ，均不符合图纸要求（氮化层深度200μm~300μm ）。

讨论
传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂。

由以上的试验结果可知，基体的金相组织未见异常。

每个齿的渗层深度不均，但均不符合图纸要求，有个别的齿和齿根的位置基本上就没有渗层。

通过对断口的观察分析可知，由于整个断口磨损比较严重，但在断口中间位置的疲劳条带的方向还有中间位置的韧窝可知，断口是从齿的啮合区两侧起源，然后向中间位置疲劳扩展，最后在中间部位瞬断。

在相邻齿的啮合区域的表面裂纹和表面损伤形貌也可以推断出是从两侧啮合区起源。

通过对啮合区的观察分析可知，传动轴的径向窜动量较大，在高速运转的情况下，齿的径向窜动导致啮合接触区的面积不断变化，使齿的接触应力呈周期性变化，而且径向窜动还会导致接触区面积减小，使接触应力增大，由于该传动轴的渗层深度较浅，不符合图纸要求，较大的接触应力使表面易于萌生裂纹，形成疲劳源并在工作应力作用下发生疲劳扩展，直至断裂。

综上所述，传动轴的径向窜动量较大是此次断裂的直接原因。

传动轴的齿表面的渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是传动轴断齿的又一影响因素。

结论
（1） 传动轴齿的断裂性质为弯曲疲劳断裂；
（2） 传动轴的径向窜动量较大是此次断裂的直接原因；
（3） 传动轴的齿面渗氮层的硬度和深度不符合图纸要求是此次传动轴齿断裂的影响因素。

主要分析人员及单位
分析负责人：白明远 工程师 中国航空工业失效分析中心
审核人： 刘新灵 高级工程师 中国航空工业失效分析中心
资料整理人：李 莹 中国航空工业失效分析中心
校核人： 刘新灵 中国航空工业失效分析中心
中国应
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变速器齿轮损坏失效分析和变速器故障分析及排除措施

变速器齿轮损坏失效分析和变速器故障分析及排除措施

用户自负
八
相啮合的一对齿轮，部份齿不规则的损坏（缺、裂、断）。部份齿完全正常，缺裂的齿有一齿或多齿的齿面上有明显或较深的光滑的压痕。
有金属或较硬的异物作用于齿面上产生。一是箱体内其它零件（如轴承、滚针、锁销等）脱落或损坏的碎屑掉于高速旋转的齿面上；二是装配时掉入的销子、铁丝、钢钉等异物被润滑油意外的卷入齿面。
修理厂
修理厂
赔偿
二
齿面点蚀
1
全齿面针状点蚀（小麻点）
箱体内不清洁；油料使用不当。要选用粘度大的85w/90重负荷双曲线齿轮油。
用户
用户自负
2
齿中部小面积破坏性点蚀（粒状）
热处理渗碳淬火有效硬化层深不够，表面硬度梯度大，齿形设计不合理等不符合技术标准要求
制造者
厂家调换
三
齿面剥落（掉皮）或拉伤
产品设计不合理，滑动系数太大，材料或热处理不符合技术和标准要求。
2
齿宽1/3或1/2扭曲，有, 1/3或1/2保持原状，齿面磨损正常。
啮合错位、偏载。没有满齿宽接触，一是装配没有检查轴向移动间隙和换档系统间隙，二是换档操作不当、抢档不到位。主要是EQ140二轴一档齿轮（主一）、中间轴（付轴），偶尔有倒档齿轮等滑动换档变速器齿轮。
用户
用户自负
六
轮齿变形，过渡磨损，未啮合部位或无接触部份变色发蓝。
啮合错位，偏载。因卡簧失效，轴承损坏、换档不到位等原因造成。
用户或修理厂
用户自负
4
只断一齿，断面有明显夹灰，断面颜色不一致。
材料有夹灰，微裂纹等质量问题
制造者
厂家调换
5
齿轮破裂
齿根或键槽尖角过渡，应力集中或材料质量问题。
制造者
厂家调换
序号
齿轮箱故障分析和维护使用

齿轮箱故障分析和维护使用

风电齿轮箱的故障分析和维护风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、控制系统、发电机、塔架等组成。

其中增速齿轮箱作为其传动系统起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定转速，以供发电机能正常发电。

因此增速齿轮箱设计及制造相当关键。

同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。

随着风电行业的发展，更多更大功率的机组投入商业化运营，因而其维修费用更高。

虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德国的Renk公司，Fland公司，Eickhoof公司以及一些中小企业在这方面都作了研究，并且有的企业也付出了很大的代价，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然事故较多。

因此，采用先进技术，分析其失败的原因，总结和吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，研制高技术性能，高可靠性和良好的可维修性的增速齿轮箱是风力发电机组的关键技术保障。

一、风电齿轮箱故障分析（一）、齿轮传动的故障原因分析齿轮传动是机械设备中设备中最为常用的传动方式之一。

风电齿轮箱运行状态的正常与否直接关系到整台机组的工作状况。

据有关资料统计，齿轮箱发生故障有40％的原因是由于设计、制造、装配及原材料等因素引起的，即是由制造单位设计制造引起的；另有43％的原因是由于用户维护不及时和操作不当引起的；还有17％的原因是由于相邻条件（如电机、联轴节等）的故障或缺陷引起的。

当然，风电齿轮箱故障原因是否有这比例关系，还要经过统计得出。

由此可见，为了确保风电齿轮箱安全、正常地运行，提高齿轮传动的可靠性，一方面需要改进设计、提高加工制造精度以及改善装配质量，另一方面则必须提高运行管理和维护水平，对齿轮传动装置进行状态监测和故障诊断。

(二).齿轮箱中主要故障及其原因分析据统计,齿轮箱中其次是轴承，占20％；再者是轴，占10％。

最后是箱体和紧固件。

由此可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大。

说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。

第十一章 齿轮传动

第十一章 齿轮传动


强度计算方法

当量齿轮法，强度当量。 接触强度计算公式

校核公式
H


ZEZH Z
KT 1 u 1 bd 1
2

u
H

H lim
N / mm
2
设计公式
d1 2 KT
3 1
SH

2
d
u 1 ZEZ u
H
Z

H

mm
Z
cos 螺旋角系数


H
[
H
]

σH ——齿面啮合点最大接触应力 [σH]——齿轮材料的许用接触应力
圆柱面的最大接触应力σH的计算

赫兹公式：

H

4
Fn 2 ab


Fn
1
1
1 1 E1
2

1
2
1 21 E2
2
b

σH ——最大接触应力

与法向力Fn成正比； 与接触变形宽度2a成反比 与曲率半径ρ1 、ρ2成反比。 与宽度b成反比。

增加中心距a； 减小外载荷T1； 选σHlim高的材料和热处理。
336 ( u 1) u
3

提高许用接触应力[σH] ：


KT 1 ba
2
H

H


H lim
SH
11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮 齿弯曲强度计算


轮齿相当于一个悬臂 梁，受载后会发生弯 曲。 两个问题：


计算时载荷的作用点 及大小 危险截面的位置
齿轮常见故障类型及诊断方法

齿轮常见故障类型及诊断方法

由于几 何形状 和工 艺 上 的原 因 ， 在根 部 有较 为严 重
的应力集中， 交变载荷易使根部产生裂纹最终导致 断裂 ， 裂纹的扩展可以是沿横向的， 也可以是沿斜线 向上 的… 。因此 ， 裂 形 式 可 能是 齿 根 ， 可 能 是 断 也
齿顶 部分 ， 如图 １ 示 。 所
图 ２ 齿 的磨 损 与点 蚀
４ 实例分析
图 ５为齿轮箱实测频谱图， ５ 为修理前的频 图 ａ 谱， 可以看 出， 在各阶啮合频率 附近均有明显的边
带， 且总 的振动 量级 均较 高 ； ５ 图 ｂ是修理后 的结 果 ，
部放大， 用来判断或读出故障的特征信息 。
细化谱边频诊断故障一般从 ２方 面着手 ： １ （）
利用 边带 的对 称性 ， 出 ±ｎ （ 找 ｎ＝１ ２ … ） ， ， 的频
率关 系 ， 确定 是否 成 为一 组 边带 ， 如果 是 边 带 ， 可 则
知道啮合频率 和调制信号频率 ； ２ 比较 各次 （）
测量中边带幅值变化 的趋 势。由此 ２点 ， 就可判断
故 障 的类 型 和故 障发 展 的程 度 。
磨损的因索 ， 故齿轮磨损后齿的几何形状 、 厚度均产
１ 常见故 障类型 和失效 比例
１ 齿的断裂 ， ） 故障比例为 ４ ％ ； １ ２ 齿 面疲 劳 （ ） 点蚀 、 落等 ） 失效 比例 为 ３％ ； 剥 ， １
３ 齿 面划 痕 ， 效 比例 为 １％ ； ） 失 ０ ４ 齿 面磨 损 ， 效 比例 为 １％ ； ） 失 ０
中图 分 类 号 ：Ｈ１２ Ｔ ３
在齿 轮箱 的诊 断 中 ， 几乎 涉 及 了旋转 机 械 中 大
疲 劳 和 过 负荷 断 裂从 本 质上 说 是 由 于设 计 、 制 造 、 配不 良而 引 起 的轴 系 共振 、 的弯 曲 、 装 轴 系统 速 度 的急 剧 变化 、 不平 衡载 荷等原 因造成 的 。