中齿轴断齿失效分析及设计优化

陈宗瑞 潘安霞

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 前言

在齿轮箱中齿轮主要承担着扭矩传递和速比增加的功能，齿轮断齿是齿轮箱故障中最为严重的问题之一[1]。某齿轮箱在运行1年后发生了中齿轴断齿事故，导致中间级齿轮副卡死，齿轮箱损毁严重。

本文结合该齿轮箱的运行情况，对断裂齿轮进行宏微观断口形貌、化学成分、显微组织以及力学性能的试验分析，以期得到造成该齿轮箱严重损毁的主要原因[2]。

1 中齿轴设计要求及计算分析

1.1 设计要求

中齿轴设计寿命为20年，要求原材料采用18CrNiMo7-6低碳合金钢，满足ISO6336-5中MQ等级要求，锻造比大于7，超声波探伤要求开齿部位缺陷不大于ø2 mm，其他部位缺陷不大于ø3 mm。齿面要求采用渗碳淬火工艺，表面硬度为58～62 HRC，芯部硬度为30～42 HRC，有效硬化层深2.4～2.9 mm。

关于齿轴计算强度要求，在极限扭载荷下齿轮静强度安全系数如下：接触强度安全系数SH>1.0，弯曲强度安全系数SF>1.4，在时序疲劳载荷下的齿轮疲劳强度安全系数为SH>1.2,SF>1.5。

图1为某齿轮箱中齿轴外形结构示意图，表1为某齿轮箱中齿轴齿轮主要参数。

图1 中齿轴结构示意图

表1 中齿轴齿轮参数

1.2 强度验算结果

根据ISO 6336—2006标准验算极限载荷下的中齿轴静强度安全系数如下：SH静=1.534,SF静=3.162。满足GL2010关于齿轮静强度安全系数SH>1.0，SF>1.4的要求。

根据ISO 6336—2006标准，在KHβ=1.15,KV=1.05的情况下，疲劳强度安全系数为：SH=1.274,SF=1.895。满足GL2010关于齿轮疲劳强度安全系数SH>1.2，SF>1.5的要求。

2 试验检测与分析

2.1 宏观形貌分析

图2是失效的中齿轴宏观形貌照片，断齿位置位于I区和II区。其中I区断裂位置……