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机车用齿轮断裂失效分析
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:637
:通过对机车齿轮的断口宏观观察、微观检查及渗碳层的分析,发现机车齿轮断裂失效主要是由于齿轮轮毂强度不足和应力集中双重因素所致,并提出了相应的改进措施。
关键词:机车;齿轮;裂纹;断口;脆断
机车对整个列车正常运行具有举足轻重的作用,机车部分零部件在运行过程中,在载荷不大甚至在低于屈服极限的情况下发生突然的脆性破坏,即所谓低应力的脆性断裂现象,严重影响了列车的正常运转。某机车电动机悬挂装置主动齿轮在运行过程中发生沿轴向轮毂的整体断裂事故,断面如图1所示。本文通过对断口试样宏观观察、微观检查及组织分析,提出断裂事故的主要原因,作为改进设计、制造工艺和提高齿轮运行安全性的依据。

 

图1
1断口的宏观观察
通过对断口的宏观观察,疲劳裂纹起源于齿轮的近齿根轴向中间部位,如图2所示。在接近源点区,估计由于裂纹的扩展速率和应力符号的改变,在裂纹表面引起摩擦而造成该区域具有很细的晶粒状,粗糙度小而光亮[1]。由于机车在运行过程中大载荷的作用,从断口表面难以发现疲劳断裂的休止线及台阶存在,因此裂纹在短时间内迅速扩展形成最终破断面。从源区出发断口具有明显的放射状花样,向四周扩散,到达最终破断面之后,几乎全部为脆性断裂并非疲劳断裂。由此说明裂纹扩展过程是快速、不稳定的。

 

图2断口照片
在齿轮啮合过程中,断裂起始部位受到与破断面相垂直的最大拉应力作用[2,3],按断裂力学理论,断裂属于张开型的平面应变状态[4]。在断裂源区没有观察到宏观的塑性变形迹象。
2断口的微观检查
3所示。图3a和图3b为准解理形貌,夹杂有少量韧窝,这样的准解理形貌占整个断面的绝大多数,说明齿轮断裂为脆性断裂[5]。图3c和图3d()存在的裂纹,正是由于这些裂纹的存在及扩展,使真正意义上的安全系数值变得,相对过载越大。同时在该区域发现了在毛坯锻造过程中形成的闭合孔洞(见图3e,f)及夹杂物(见图3g),严重削弱了齿轮轮毂强度,使这部分轮毂首先起裂并造成失稳断裂。检查发现齿轮表面渗碳层与硬化层和心部之间的界面处存在有大尺寸的裂纹,如图3h所示。

 

 

(a)

 

2000× (b) 2000×

 

 

 

(c) 50×

 

(d) 103×

 

 

 

(e) 500× (f) 500×

 

(g) 690× (h) 30×
图3断口的微观形貌及孔洞、裂纹、夹杂物等缺陷
3齿轮断裂失效原因分析及改进措施
根据以上对断口的宏观观察和微观检查可知,齿轮轮毂发生整体断裂决非偶然。机车齿轮在重载工作条件下,由于裂纹、孔洞及硬质点夹杂物的存在,引起应力集中,使齿轮实际所能承受的载荷降低;对齿轮来说齿根为应力敏感部位,在制造(如磨削)过程中所遗留的加工痕迹裂纹源,也能够随着载荷循环而逐渐扩展并引起断裂;同时渗碳层处理过程措施不当,会降低齿轮的有效寿命。
齿轮加工过程中遗留的缺陷,引起严重的应力集中。在大载荷作用下裂纹起裂并迅速扩展至整体发生脆性破断。为了避免此类事故发生,应当严格控制齿轮制造过程的所有环节,诸如锻造、磨削及渗碳热处理等,降低或避免应力集中。
4结论
1)机车齿轮断裂性质属于脆性断裂。
2)机车齿轮断裂失效的主导因素是强度不足和应力集中双重作用所致。
3)机车齿轮在加工制造过程中,应严格保证工艺要求,尽量避免或减小应力集中程度。
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