机械专业外文翻译-中英文翻译-小齿轮的故障分析

西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 附 录 2 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 6 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 7 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 8 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 9 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 10 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 11 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 12 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 13 页 附录 3 小齿轮的故障分析 要 用于 电厂紧急供电的柴油空气压缩机里的小齿轮在柴油机的例行检查中出现了三个 方面的 问题。与空气压缩机中的轴相连的小齿轮在启动过程中只工作了一小段时间，这时的 空气压缩机 已经转到与柴油机相连并将启动柴油机的齿圈的位置。一旦柴油机启动，小齿轮就会与齿圈脱离，空气压缩机便会停止运转。这个小齿轮 在 出现故障 之前 已工作了很长时间 ， 并 还经历过几次启动。对此我们 对系统的故障分析 以找出 断裂原因。结果表明，断裂是由于某个轮齿疲劳断裂引起的。由于定位不准确，在启动过程中小齿轮没有较好地与轴配合，这就导致根部应力高度集中。不精确的定位还在粗糙面产生大量的多余的热量。定位误差、大量的热、不合理的硫化物分布以及锐角倒角都是应起故障的原因。 关键词 ：故障、定位误差、内含物、疲劳裂缝、热处理 一、简介 发电厂的连续运转要求柴油机在意外情况下能产生紧急备用动力。在动力故障事件中，用来启动柴油机的一个普遍的方法就是用空气压缩机驱动空气发动机。与空气发 动机组轴相连的小齿轮将带动与柴油机相连的齿圈。在空转条件下，小齿轮不运转，此时小齿轮与齿圈之间的间隙有 米。在空气动力机启动过程中，小齿轮会受到一股短暂的脉冲气流而与齿圈啮合，接着主空气管开启带动空气压缩机，驱动小齿轮转动，然后驱使柴油机的轴转动。因此，在空气动力机获得足够的转矩之前，小齿轮会缓慢的和齿圈啮合。为了能够顺利地与大齿轮配合，小齿轮的齿要做成斜齿，这样就可以避免 打齿 。即使 有打齿现象 ，大齿轮也可以在空气动力机开始运转时与其啮合。一旦柴油机启动，供气便会停止，小齿轮就会偏离其空转位置。 因此，在一次的运行启动中，空气动力机只会工作一小段时间，小齿轮受载也是几秒钟 。 综上所述 ，故障发生在柴油机例行检查的启动阶段，并引起发动机启动失败。虽然小齿轮故障发生在紧急备用动力系统测试期间，但 如果系统故障频繁发生，对机械性能影响也很大 。因此， 必须进行 故障分析并提出解决的办法。 这个报废的齿轮 外齿 与柴油机的齿圈啮合的外圆角半径为 为了与空气动力机的轴啮合，花键齿内部无任何倒角。小齿轮有 12 个齿，设计尺寸：节圆半径 径 矩 340速 1200齿圈有 318个齿，内径为 径为 报废齿轮的照片显示裂纹最先从齿根发生，该部位应力集中，且向外拓延拓（图 1 和图 2） ， 图 1 中的箭头指向裂纹处 ， 而图 2 的箭头则标明断裂面的起始位置。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 14 页 图 1 齿阔 图 2 裂纹集中处 图 3 小齿轮裂片 二、观察 1、表面观察 用丙酮对报废的齿轮进行超声波清洗后，用肉眼观察断裂面。此时我们可以看到轮齿边缘的齿（图 1）和螺旋齿顶部的毛刺（图 2）。我们还容易发现在轮齿的前侧面磨损得很均匀，而后侧面则被磨损得很粗糙。这说 明在 系统工作 中，大小齿轮啮合不合理（图）。螺旋齿还有明显的铣削痕迹（图 5）。样本取自 D 区（图1）并将接受金相检验。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 15 页 图 4 轮齿上某边缘上的毛刺 图 5 小齿轮螺旋齿上铣削的痕迹 图 6 轮齿上啮合与未啮合部分 图 7 螺旋齿上的拉伤痕迹 因为没有齿轮化学成分和热处理条件的有关信息，所以故障分析的首要任务是材料鉴定。化学分析通过使用可以直接读取数据的光学发射分光计在报废的小齿轮上取样来实现。要说明的是小齿轮的材料必须是 国钢铁学会） 8620 型钢（表 1），这种材料一般用来制造表面需要硬化的齿轮。报废齿轮上不同样本的元素含量除了硫之外大致相同。但硫的含量也在极限范围 间。 表 1 小齿轮的化学成分（取自不同地方） 元素 碳 锰 磷 硫 硅 铝 铬 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 16 页 含量 素 铜 镍 鉬 鈷 铌 钛 钒 含量 轮齿表面附近的微结构会有两种情况：呈黑色的 内 表面 腐蚀 情况严重（图 5），外 表面只有轻微的腐蚀。这表明齿轮经过了表面硬处理。 含碳量越多腐蚀越严重，因此可以确定小齿轮被碳化了 ， 因为渗氮层 为白色 ，所以我们可以断定 内 表面部分没有氮化。综上所述，这个小齿轮材质是硬化处理后的 。 图 8 微结构和齿的中心部分 对打磨过的表面进行金相检验，发现取自未被 腐蚀 的受损部分的样本有条形物分布（图 6）。从形态来看，这条形物是硫。用点标记法可以 大致估计不同区域的硫化物体积含量应该在 2 11%之间。相似的微裂纹还会出现在螺旋齿轮内径的锐角倒角处，其中一个微裂纹是从螺旋齿齿面开始的（图 7）。 图 9 典型硫化物的显微照片 在 小齿轮上破裂部分附近还可以看见明显的裂纹（ D 区）。其中一个裂纹始于受损的硬化表面的轮齿根部（图 8）。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 17 页 图 10 始于直齿轮齿根的典型微裂纹 图 11 始于螺旋齿齿根的典型微裂纹 让洛氏硬度测试机加载 150 公斤对齿轮的硬度进行检测，结果如下：螺旋齿表面为 41 55齿轮表面为 53 55心部分为 41表明同样的直齿轮表面硬化不能满足螺旋齿的表面硬化要求。 用 000 型 硬度测试仪，加压 200报废齿轮横截面（图 8）进行微硬度测量，结果显示螺旋齿内齿和外齿表面的硬度有明显的不同（图 9）。而且沿某一面（如横截面）的硬度变化表明不同轮齿的两侧面不管是否受力，其硬度分布几乎是均匀的（图 10）。 图 12 根部硬度分布 图 13 沿齿厚横截面的硬度 5、断裂面 用电子显微镜观察断裂面（图 1），我们可以看见疲劳损伤后明显的沟状纹路（图 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 18 页 11）。观察到轮 毂 中心部位有沿堆 分布的纤维状断裂面的同时（图 12），也可以看见轮 毂 末端断裂面上的晶状物（图 13）。另外，受压轮齿下表面的裂纹（图 14）表明在运行过程中，受到了接触面 的拉 应力，而该应力足以 使齿轮根部产生 疲劳断裂。 从 受损区表面形状可 看出 接触面应力的存在（图 15）。 图 14 受损区典型的脆性断裂 图 15 高硫钢典型的断裂面 图 16 轮 毂 边缘的晶间断裂 图 17 周期性疲劳 图 18 受损面拉伤情形 金属断面的显微镜观察显示轮 毂 前 端 至后端裂纹形态有明显的不同。裂纹边缘是 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 19 页 晶粒，而裂纹表面则主要是纤维状的 混 合 物。尽管小齿轮材料是 具有延伸性 的，但是硫化物的存在加剧了断裂的发生 ， 在小齿轮边缘产生晶状体使渗碳层边界处产生大量的碳化物 。 三、压力计算 在运转过程中小齿轮内所受到的扭矩 约 为 340载齿轮的弯曲应力计算公式如下： （ 1） 其中p 为齿距，F 是小齿轮高度， J 是几何系数。扭矩 T 的公式为： （ 2） 其中 d 为齿轮分度圆直径，将 T =340 d =50.8 入公式（ 2），t 3.4 p ，（ 12 齿）， F 28及J 入公式（ 1），弯曲应力计算值为 396然小齿轮高 F 为 22是 28实际的弯曲应力值为 505就是说比设计值 396出109 同理 ，极限抗 拉 强度（ 及高速运转的疲劳极限也是根据材料标准硬度估算的。小齿轮表面硬度和中心的硬度分别为 564 379 抗 拉 强度可以由布氏硬度计算，即： （ 3） 从公式（ 3）可以 计算出 硬化面和内部的 分别为 1917 和 1289据和公式（ 4）可以得出轮齿忍耐极限的数值。 （ 4） 其中，表面系数 尺寸系数 93.0数为 4），可靠性系数 K（ 95的可靠性），温度系数 1定），应力集中修饰系数 1杂影响系数 455.1化表面的 1917 心的 1289 往复运转五的忍耐埃极限值 M P （硬化表面）部）。将这些数值代入公式（ 4），可得出表面和内部的 抗拉 极限97 419 对于热处理后的 620 材料，其极限抗拉强度为 1960理前极限抗拉强度为 665远远高于 材料的估计极限值 419和估计值 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 20 页 之间的这种差异归咎于热处理不当。再者，齿轮接触面 面积 （ 22不是 28少了 ,这将使得轮齿的弯曲应力高达 505扭矩设计情况下），比弯曲应力设计值 396内部忍耐极限 419得多。这种材料紧密型不好，很可能导致齿轮失效。事实上，许多失效大都归因于不合适的热处理。 四、结果分析 从上述观测可以看出，这个小齿轮可能存在如下几个问题： 1、虽然小齿轮在柴油机 工作 过程中只工作几秒钟，但它在之前积累了 大量 的载荷。 2、轮齿表面减少的接触面积表 明小齿轮与柴油机的齿圈存在啮合误差。这使得小齿轮所受的弯曲应力超过了其本身的屈服极限。下表面的裂纹强有力的证明 了这种高接触应力的存在（图 16）。 3、不合理的热处理会使得小齿轮的屈服极限下降 。 4、在上述情况下，疲劳裂纹会最先出现在轮齿接触较多的那个侧面上（图 3 和图 8），他将会受到超过其屈服强度的弯曲应力。金属断面在显微镜下显示出沟状纹路，这表明疲劳裂缝是从这个地方开始的。 5、条状硫化物的存在使得小齿轮的抗裂性能远远地降低了 ， 而且，螺旋形花键中的片状物将 会过早地出现裂缝 （图 13）。 6、定位误差可能导致螺 旋形花键齿上出现反复的高强度应力（图 7 和图 9）。火花 也可以说明有大量热释放出（图 6 和图 7）。 所有上述因素，主要是不当的热处理、根部的硫化物存在以及因啮合不当引起的高强度应力导致小齿轮最终疲劳失效。 五、建议 为了避免齿轮过早疲劳，有如下建议可以参考： 1、通过例行的检查确保齿轮与齿圈精确对准，这样就可以保证在空气发动机起动之前有较好的啮合。 2、在发动机工作的时候监视其扭矩可以 查看出小齿轮的工作性能 。 3、为了减少轮齿的弯曲应力，制造的时候应避免 钝角 产生。 4、应考虑选择合适的材料 、 合适的热处理或者均匀 淬火来提高齿轮的机械性能，减少不均匀应力的产生。 5、首选含硫量低且分布均匀的钢材 ， 像上面提到的钢材，其高含硫量降低了断裂韧度。 感谢 作者感谢 G. 生（管理分析与规划系统）提供的失效 分析 案例。作者还感谢 R. 女士在标准电子组件金属断面的显微镜观察方面 提供 的支持。 参考文献 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 21 页 1 程物理冶金学和热处理，米尔出版社（ 1990） 274 5 2