弧齒錐齒輪齒面電蝕失效分析

在GB/T3481—1997《齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語》中，對齒輪電蝕的定義是：由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作用，在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑。齒面有時出現(xiàn)較大面積灼傷，其邊緣呈現(xiàn)回火色。圖1是由大電流引起嚴(yán)重電蝕的齒面形貌。

圖1由大電流引起嚴(yán)重電蝕的形貌常見的齒輪電蝕有兩種：一是由電動機(jī)軸電流引起齒輪電蝕；二是由焊接過電流引起齒輪電蝕。由軸電流引起齒輪電蝕的研究論文和資料較多，但對于由焊接過電流引起齒輪電蝕失效的論文極為少見。本文研究的正是減速機(jī)弧齒錐齒輪齒面焊接過電流引起的電蝕失效，對齒面電蝕的形貌進(jìn)行了宏觀和微觀觀察，分析了電蝕齒面損傷的模式，并提出了防止齒輪電蝕的措施。一、減速機(jī)錐齒輪齒面失效概述應(yīng)用于煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)的減速機(jī)，因運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動和異響而下線檢查。減速機(jī)的外觀如圖2所示。

圖2減速機(jī)外觀

該減速機(jī)的基本信息如下：電動機(jī)功率P=700kW，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，傳動比i=16.03，減速機(jī)高速軸直徑d=100mm。大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位如圖3所示。從圖中可見，大小錐齒輪上只有兩個齒面上有大片剝落的損傷斷口。

圖3大小錐齒輪嚙合齒面的失效部位大齒輪的損傷齒面如圖4所示，小齒輪的損傷齒面如圖5所示，兩者的齒面損傷區(qū)極為相似，是能夠耦合的。

圖4大齒輪的損傷齒面

圖5小齒輪的損傷齒面大齒輪其他輪齒的齒面上都有圖6所示的壓痕，小齒輪其他輪齒的齒面上都有圖7所示的壓痕。

圖6大齒輪其他輪齒齒面上的壓痕

圖7小齒輪其他輪齒齒面上的壓痕這些壓痕是失效齒面（見圖4和圖5）上高低不平斷口，在運(yùn)轉(zhuǎn)時輪齒追越造成的。

圖4和圖5所示的齒面損傷是如何產(chǎn)生的？據(jù)現(xiàn)場人員反映，在減速機(jī)靜止的情況下，曾經(jīng)動用焊機(jī)在與減速機(jī)連接的構(gòu)件上焊接零件，從而造成齒面電蝕損傷。為了查明齒面損傷的原因，進(jìn)行以下的觀察和分析工作。二、齒面失效形貌的宏觀觀察從小錐齒輪上切割下來的齒面失效斷口如圖8所示。這是一個很復(fù)雜的斷口，其中有深淺坑洼區(qū)、邊緣磨平區(qū)、未磨平區(qū)、脊棱區(qū)及焊粒飛濺區(qū)等。此外還有斷口周圍的無焊粒飛濺區(qū)。

圖8齒面失效斷口

整個斷口可分為兩大部分：上部和下部。上部圖中可以清晰地看到飛濺的焊粒粘結(jié)齒面的痕跡。下部圖中看不到飛濺的焊粒粘結(jié)齒面的痕跡，只能看到齒面磨削加工的刀痕。

從上述斷口的宏觀形貌來看，大小錐齒輪遭受焊機(jī)焊接時大電流過電電蝕的可能性很大。為此，需要采用齒面斷口電鏡觀察的手段來進(jìn)一步證實(shí)。

三、齒面失效形貌的微觀觀察為了查明原因，從小齒輪上切取斷口試樣，并將齒面斷口試樣置于電子顯微鏡上觀察斷口的形貌。斷口試樣如圖9所示。圖中畫出了電鏡觀察點(diǎn)的編號：1～15。以下選擇幾個有典型特征的觀察點(diǎn)，做進(jìn)一步的觀察和分析。

圖9斷口試樣及觀察點(diǎn)編號注：1～15是電鏡觀察點(diǎn)的編號。

1）觀察點(diǎn)3的電鏡照片（高倍）如圖10所示。圖中直徑約2μm的孔洞很像韌窩，其實(shí)是不同大小的電蝕坑。

圖10觀察點(diǎn)3的電鏡照片（2000×）2）觀察點(diǎn)5位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖11所示。圖中呈現(xiàn)大量孔洞疏松的結(jié)構(gòu)，具有電蝕特征，并有表面磨平的部分。表面疏松是過度電蝕的結(jié)果。

圖11

觀察點(diǎn)5的電鏡照片（200×）

3）觀察點(diǎn)6也位于斷口的邊緣，其斷口電鏡照片如圖12所示。圖中呈現(xiàn)非常清晰的大小不同（φ1～φ4μm）的孔洞，孔洞的邊緣沒有裂紋，這是一種非常典型的電蝕形貌。圖12中可見齒面磨削刀紋，齒面未遭受磨損，因此電蝕坑呈現(xiàn)原始狀態(tài)。

在觀察點(diǎn)6的孔洞邊緣表面做能譜成分測定，結(jié)果是Cr和Fe；在觀察點(diǎn)6的孔洞內(nèi)做能譜成分測定，結(jié)果是Cr和Fe的氧化物。

圖12觀察點(diǎn)6的電鏡照片（1500×）

4）觀察點(diǎn)8位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖13所示。圖中呈現(xiàn)大量大小不同（φ1～φ5μm）的圓形孔洞，孔洞的周圍沒有任何裂紋，它不是點(diǎn)蝕，而是典型的電蝕形貌。由于電蝕表面經(jīng)過磨損，因此比較平整。

圖13觀察點(diǎn)8的電鏡照片（1000×）

5）觀察點(diǎn)10也位于斷口的邊緣，其電鏡照片如圖14所示。其斷口呈現(xiàn)非常破碎的形貌，其實(shí)質(zhì)是過度電蝕造成的。

圖14觀察點(diǎn)10的電鏡照片（500×）

觀察點(diǎn)13位于斷口的中部區(qū)域，如圖15所示，顯示了運(yùn)轉(zhuǎn)后齒面碎裂的形貌。圖中圓形孔洞是電蝕的形貌。

圖15觀察點(diǎn)13的電鏡照片（2000×）四、齒面失效斷口的分析1）上述的觀察點(diǎn)5、6、8、10、13的圖片中，都能觀察到大量的圓形蝕坑。這種蝕坑的特征：呈現(xiàn)圓形，周圍沒有任何裂紋，是電蝕坑的典型形貌。

2）電蝕形貌最明顯的觀察點(diǎn)5、6、8、9、10都位于斷口的邊緣，非邊緣部位的電蝕形貌不很明顯，但并不是說沒有受到電蝕，這是因?yàn)辇X輪運(yùn)轉(zhuǎn)破壞了原始的電蝕斷口。

3）齒面電蝕模型可以設(shè)想如下：兩個齒面的接觸情況如圖16、圖17所示。如果沒有載荷，其齒面接觸可能是一條線或一個點(diǎn)，但在電蝕的時候，實(shí)際上是一個電蝕區(qū)（見圖16）。在過電流電蝕時，接觸區(qū)遭到電蝕，金屬熔化粘結(jié)，但在后來的運(yùn)轉(zhuǎn)時，會撕裂齒面的粘結(jié)，形成兩個斷口（見圖17）。由于齒面接觸區(qū)的圓周速度并不相同（見圖17中v1、v2），經(jīng)過齒輪多次追越嚙合后，電蝕斷口會在滾動滑動中磨去部分電蝕坑，而在電蝕區(qū)的邊緣區(qū)域能保留完整的電蝕形貌，這就是電蝕形貌特征最明顯的觀察點(diǎn)5、6、8、9、10、12都位于斷口邊緣的原因。

圖16兩個齒面的接觸情況示意

圖17兩個齒面電蝕區(qū)的撕裂示意

以上的觀察和分析是最基本的，實(shí)際情況要比想象復(fù)雜得多，例如粘結(jié)點(diǎn)的撕裂、焊點(diǎn)金屬的熔化和焊粒的飛濺等都會影響電蝕斷口的形貌。因此，上述的模型還不足以詮釋全部斷口的形貌特征，但齒面存在電蝕損傷這一點(diǎn)是確信無疑的。

五、失效分析的結(jié)論和預(yù)防措施

根據(jù)以上弧齒錐齒輪齒面斷口的宏觀觀察、微觀觀察和分析，可以得到以下結(jié)論：焊接過電流電蝕是刮板運(yùn)輸機(jī)減速機(jī)弧齒錐齒