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齿轮齿面电蚀失效分析 |
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作者：华北冶金学院 潘紫微 罗铭 朱孝录 |
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摘 要：本文论述了齿轮齿面电蚀失效的宏观和基于电子显微镜的微观形貌特征、条纹花样、云形花样、河滩形花样。
关键词：齿轮；电蚀；形貌
0概述
某发电厂FK5D32电动给水泵组的R16K550液力耦合器是奥地利V01TH公司的产品。1995年11月13日机组投入运行648h后，耦合器油泵传动齿轮完全失效；齿轮更换后运行624h后也完全失效；这不但严重影响生产，而且造成很大的经济损失。
1现场调研
1.1设备供应商提供的资料
齿轮传递功率017kW，大齿轮转速na=1490r/min，小齿轮转速nb=2947r/min，渐开线斜齿轮，大齿轮材料为17CrNiMo6，化学成分为0.2%C，0.30%Si，0.53%Mn，1.5%Ni，1.6%Cr，0.30%Mo；小齿轮材料为20MnCr5，其化学成分为0.2%C，0.28%Si，1.0%Mn，1.0%Cr；大小齿轮均经渗碳淬火热处理，设计要求齿面硬度为60HRC，20号透平油喷油润滑。
1.2现场实测数据
图1是大齿轮(主动)失效(齿廓呈锯齿形)的宏观形貌。图2是小齿轮(从动)失效(轮齿已磨平)的宏观形貌。
图1
图2
齿轮主要的实测几何参数:mn=215mm，za=91，zb=46，B=11°18'，b=20mm。
经现场实测，齿轮平均硬度为58HRC；齿轮材料的化学成分基本与提供的数据相同。
电动给水泵的电机轴的轴电压和轴电流的测试数据为:U1=0147V，U2=0141V，I=0.88A。其测试原理示意图见图3。 
图3
2失效分析
经齿面接触强度和齿轮齿根弯曲强度计算[1]，齿轮承载能力足够。用D.Dowsn公式计算油膜比厚K=5.35>4，齿面不可能产生胶合和粘着磨损[2]。
从图3可见，电机轴的两轴承座均与底座绝缘，且电机轴与液力耦合器的输入轴采用的是无绝缘的弹性联轴器，由于电机轴上存在着轴电压和轴电流，这样势必将轴电流引入液力耦合器的传动系统中。因此为齿轮电蚀提供了必要条件。经仔细观察齿面形貌，发现大小齿轮失效表面均有高低不平呈点状条形形貌(图4)。此形貌与ISO10825齿轮损伤术语标准[3]中关于电蚀(electricerosion)词条的描述相同；也与GB3481-83标准有关电蚀(electriccurrent Damage)术语中所描述的特征原因和机电设备失效预防手册[4]中关于齿面损伤的电流损伤所描述的形貌和原因基本相同，所以可以初步判定齿轮是电蚀失效。
图4大齿轮失效形貌
在齿轮上切取数个轮齿试样，同时制备线切割表面试件数个，仔细清洗后均上电镜观察。由于电火花线切割是一种典型的电蚀，因此只要齿面具有线切割表面的形貌特征，即可断定为电蚀。图5是齿面电蚀的云形花样微观形貌(即表面熔融形貌)，图6是线切割表面的云形花样微观形貌，两者形貌几乎完全相同。图7是齿面电蚀的河滩花样微观形貌，图8是线切割表面的河滩花样微观形貌。两图中的颗粒球状物经能谱分析均为熔化所形成的铁粒，可见两者的形貌和能谱也几乎相同。 
图5小齿轮2号试样 图6大齿轮线切割表面400×
 
图7大齿轮齿顶点1号试样(中部放大)400× 图8大齿轮线切割表面1500×
3结论与建议
(1)根据现场调查，理论计算以及轮齿失效表面的宏观和微观分析，可以认为耦合器油泵传动齿轮有电流通过，在轮齿接触线上电流击穿很薄的润滑油膜引起火花，造成局部表面熔融，形成电蚀失效；
(2)电蚀齿面的宏观形貌呈点状条形花样；
(3)电蚀齿面微观形貌主要是云形花样和河滩形花样；
(4)为了防止齿面电蚀，建议在电机输出轴与液力耦合器输入轴之间加一电刷，并良好接地，以便将电机轴轴电流可靠地引入大地。
通过几个月的实际运行，已基本解决齿轮电蚀问题。(end)
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(12/31/2006) |
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