某1.5MW風電增速機在試運行時發生輸出齒輪軸斷裂事故，此零件在增速機中處于末級輸出位置，工作環境為高周次、低應力狀態，材質為18CrNiMo7-6。工藝流程為：鍛造→粗車→半精車→滾齒→滲碳→重新加熱淬火→精車→磨齒→成品。本文將對失效輸出軸進行解剖檢測，確定斷裂性質，分析失效主要原因。
斷口形貌檢查
1.外觀檢查
如圖1所示，失效區域為連續5個齒，其中4個齒沿齒長方向完全斷裂，1個齒在節線以上呈現局部完全剝離現象，其余輪齒未見斷齒現象，所有非工作面無嚙合痕跡；失效區工作面呈大面積剝落、斷齒現象，其余工作面可見局部分布的輕微凹坑剝落，主要呈光面狀態，工作面可見嚙合痕跡不均勻；軸承表面無麻點等異常缺陷。
圖1 輸出軸外觀形貌
2.斷口形貌特征及斷裂模式
宏觀觀察，斷口可見三種失效模式：①疲勞斷口，有明顯的疲勞斷裂模式，斷口由三部分組成，斷裂源區、擴展區及瞬斷區，斷裂源區處于表面點蝕坑內，為多個疲勞源頭，擴展區特征為疲勞貝紋線，斷口由工作面向非工作面擴展，疲勞弧線在源頭較致密，在瞬斷區較粗，擴展區占總斷裂面積的75%以上（見圖2）。②一次性快速斷裂斷口，斷口無明顯的疲勞斷裂特征，屬于大應力破壞，輪齒斷裂起始源處于高應力區。③齒面剝落及點蝕，屬于接觸疲勞的一種表現，點蝕主要原因為交變接觸應力的最大值超過材料的接觸疲勞強度，其次為齒面潤滑油滲入裂紋的脹擠作用，加速裂紋的擴展而形成點蝕。
圖2 斷口宏觀形貌
從這三種齒面失效模式分析得出：輸出軸的斷齒失效事故為疲勞斷裂，非過載導致的快速斷裂失效，疲勞斷裂源頭為點蝕坑及剝落凹坑（見圖3）。在剛出現少數點蝕時，齒輪軸仍能繼續工作，但隨著工作時間的延續，點蝕剝落現象將不斷增多和擴大，嚙合情況不斷惡化，磨損加劇產生疲勞裂紋并不斷擴展直至齒斷裂，而斷裂的齒嵌入未發生裂紋的齒間，產生較大的沖擊力，使齒輪軸斷齒附近的其余數齒均被打斷，產生輪齒快速斷裂。
圖3 剝落宏觀形貌
測試和分析結果
1.冶金質量檢測
失效區域化學成分定量檢測（見表1）表明該齒輪成分符合技術要求。
表1 化學成分（質量分數，％）
在斷裂區域取樣，拋光未腐蝕狀態下在顯微鏡在觀察，僅含有少量非金屬夾雜物，其結果見表2，結果符合ISO 6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計算—第5部分材料強度》ME級要求。
表2 非金屬夾雜物評定結果
A類 | B類 | C類 | D類 | ||||
細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 |
0.5 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
2.滲碳淬火組織檢測
截取斷裂齒部，經磨制后，在金相顯微鏡進行微觀組織觀察，齒根脫碳層16μm，內氧化IGO為10μm，脫碳層及IGO符合技術要求，不存在齒根表面因脫碳而產生拉應力引起疲勞斷裂的可能。斷口區域齒面顯微組織見圖4，芯部組織見圖5，可見齒面表面馬氏體針為10μm左右，無可見碳化物，殘奧為20%左右，芯部組織為馬氏體加少量下貝氏體，芯部硬度36~38HRC，組織符合ISO6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計算—第5部分材料強度》ME級要求，失效非熱處理組織問題導致。
圖4 斷裂源區表面顯微組織
圖5 芯部顯微組織
3.表面硬度及硬化層檢測
斷齒嚙合面表面硬度為59～61HRC，符合≥58HRC技術要求；斷齒嚙合面節圓區硬化層0.81mm，齒根硬化層0.9mm。齒輪軸模數5.5，按照ISO6336-5標準，防止點蝕產生的最小硬化層為0.825mm；按AGMA2001計算，最小硬化層深度為0.8159mm，實測值均低于標準要求。若硬化層深度不足，在次表面承受不了剪切應力的作用將萌生疲勞裂紋，隨著載荷循環次數的增加，裂紋向表面擴展，繼而發生齒面剝落，隨著剝落增多，輪齒有效截面減少，最后輪齒斷裂，但對于滲碳淬火最佳淬硬層深度的確定，至今也沒有一個權威的理論和方法被大家所能完全接受，這些理論和方法一直都有爭議，0.81mm深度可能僅是齒輪軸斷齒的非直接性因素，但其為斷裂事故提供了潛在失效基礎。
4.殘留應力檢測
對斷裂齒的齒面及齒根進行X射線衍射法殘留應力（見表3）及殘留奧氏體檢測（見表4），斷裂齒部齒面最大殘留壓應力-1095 MPa，齒根在100μm處出現最大殘留壓應力-926MPa。該殘留應力符合滲碳淬火齒輪壓應力分布特點，殘留壓應力符合技術要求，斷齒非殘留應力異常導致。齒根最大殘留奧氏體數量23.8%，殘留奧氏體數量符合ISO 6336-5《直齒和斜齒齒輪承載能力計算——第5部分材料強度》ME級要求，失效與殘留奧氏體無關。
表3 X射線衍射法殘余應力結果（MPa）
表4 X射線衍射法殘留奧氏體結果
5.齒輪軸嚙合及精度檢測
齒輪軸工作面嚙合痕跡主要呈現三種形態：一為齒根產生點蝕及凹坑，節線及以上呈光面狀態，見圖6；
圖6 輸出軸嚙合狀況1
二為僅節線以上局部接觸，沿齒高方向接觸率＜30%，其余齒面保留磨齒表面流線，見圖7；
圖7 輸出軸嚙合狀況2
三為嚙合良好，在齒高及齒向方向均有效接觸，齒面成光面狀態，見圖8。
圖8 輸出軸嚙合狀況3
從嚙合狀況來看，嚙合不良，在齒向以及齒高方向上局部未完全參加嚙合，局部偏載，載荷分布不均勻。從圖7中節線處的磨削流線痕跡可分析出：增速機運行后，該部位一直未參加嚙合運動，否則經過一階段的跑合應產生圖8所示的光面效果，說明載荷分布不均非斷裂齒部阻擾造成，為原先齒輪副系統設計加工或安裝不合理導致。
對該齒輪軸進行精度檢測，發現其齒頂偏正，同時對配對齒輪精度檢測發現其齒頂無偏正或偏負現象，此種齒形將導致嚙合時節線以上區域優先進行跑合磨損，產生局部高交變應力接觸，隨著跑合的進行，齒面的粗糙峰逐漸磨平，實際接觸面積增大。此齒輪軸齒面硬化層僅0.81mm，節線以上區域的局部磨損致使節線以上區域硬化層較大幅度降低，在嚙合時，局部高接觸應力導致最大剪切應力峰所處位置大于磨損后的硬化層深度，將在次表層萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋萌生后，裂紋沿著最大剪切應力方向平行齒面擴展，壓斷后形成剝落型凹坑。圖9為齒輪軸齒形示意圖；圖10為節線以上區域磨損剝落演示圖（δ為節線以上區域磨損深度）。
圖9 齒輪軸齒形示意
圖10 硬化層磨損剝落演示
偏載原因之一為設計加工或安裝不合理，安裝精度低，同軸度差；原因之二為齒廓修形偏正，節線以上區域凸起，致使齒輪軸跑合期僅節線以上區域參與嚙合，齒頂磨損量加大，結合硬化層偏淺不利因素，淺層剝落裂紋幾率大增。兩方面原因致使齒輪軸在受載變形后齒面壓力分布不均勻，齒面接觸不良，產生偏載和較大的振動，嚙入和嚙出的沖擊力增大，接觸應力增大，輪齒嚙合時產生的摩擦熱越大，結果導致潤滑油膜失效，形成點蝕及剝落，最終使輪齒產生疲勞斷裂。
結語
（1）輸出齒輪軸失效斷裂與冶金質量無關，斷裂源區未見原材料缺陷。
（2）失效斷裂為疲勞斷裂，非過載導致的快速斷裂失效。
（3）齒輪副設計、裝配不當以及齒形修形設計、加工不合理產生的偏載是斷齒失效的主要原因。
（4）在嚙合異常條件下，齒面硬化層偏淺成為斷裂失效原因之一。
作者：顧曉明、姜維杰、牟杏華
單位：常州天山重工機械有限公司
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