分享：压缩机齿轮轴端齿盘断齿原因

端齿盘啮合结构常用于压缩机齿轮轴与叶轮的连接固定，该结构具有传递扭矩大、传递平稳、对中性好、可频繁拆卸等优点。某压缩机运行约1 a后，其5级叶轮侧的齿轮轴端齿盘发生断齿现象，其他各级端齿盘均未发现裂纹或断齿缺陷，断裂端齿副的宏观形貌如图1所示。该齿轮轴的材料为18CrNiMo7-6钢，经锻造、粗加工后，对其整体进行渗碳淬火，以满足斜齿轮的渗碳层要求。轴端齿采用切削加工，切削掉渗碳层后，齿面应满足材料渗碳淬火心部的组织与硬度要求。该压缩机的工作介质为N2，工作温度约为80 ℃。服役时，该级齿轮轴端齿盘（主动端）带动叶轮端齿盘（从动端）做逆时针高速旋转，对N2进行压缩。笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、扫描电镜（SEM）和能谱分析、金相检验等方法查明了轴端齿的断裂原因，并提出了改进建议，以避免该类问题再次发生。

图  1  断裂端齿副的宏观形貌

1.   理化检验

1.1   宏观观察

轴端齿断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：断裂均发生在沿单齿齿宽方向的外端，断口无塑性变形，呈宏观脆性断裂特征；断口1与轴向约呈45°，存在台阶特征，台阶收敛于承载侧齿面的磨痕处；断口2可见多个大致平行的台阶，台阶同样起源于承载侧齿面的磨痕处，说明该处为断口2的裂纹源区；断口2裂纹扩展前期较平坦，大致与轴向垂直，扩展后期断口与轴向约呈45°。

图  2  轴端齿断口的宏观形貌

未断裂轴端齿的宏观形貌如图3所示。由图3可知：承载侧齿面上均存在磨痕，沿齿宽方向的外端磨痕光亮，内端磨痕暗淡，部分齿面的亮区与暗区界限清晰，与轴向约呈45°，与断口的方向大致相同；非承载侧齿面上同样存在不同程度的摩擦损伤。

图  3  未断裂轴端齿的宏观形貌

1.2   化学成分分析

对断裂端齿盘进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂端齿盘的化学成分符合企业标准对18CrNiMo7-6钢的要求。

1.3   力学性能测试

对断裂齿面进行硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：断裂齿面的硬度不符合企业标准要求。

对5级叶轮侧的中心拉杆进行拉伸试验，结果如表3所示，可见其拉伸性能符合企业标准要求。

1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

对轴端齿断口进行SEM分析，结果如图4所示。由图4可知：裂纹均起源于齿面磨痕处，疲劳台阶清晰可见；断口1裂纹扩展区可观察到疲劳辉纹和二次裂纹，断口2裂纹扩展区可见交变载荷作用下的挤压痕迹，两断口均符合疲劳断裂的形貌特征；瞬断区可见韧窝花样，深度约为36 μm。

图  4  轴端齿断口的SEM形貌

对断口1源区附近的齿面进行SEM分析，结果如图5所示。由图5可知：低倍下，可见层状的摩擦条痕，磨光区与粗糙区交替分布；高倍下，磨光区呈犁沟特征，存在微裂纹，粗糙区可见磨屑堆积和材料剥落后形成的麻坑。

图  5  断口1源区附近齿面的SEM形貌

对磨屑进行能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：磨屑中含有Ni、Nb、Ti、Al等元素，为端齿副中叶轮端齿（Inconel 718合金）的元素成分；N元素为压缩机介质元素；除叶轮、介质和轴端齿的基体元素外，磨屑中还含有铁的氧化物。

图  6  齿面磨屑的能谱分析结果

1.5   金相检验

截取垂直于轴端齿断口的剖面试样，在光学显微镜下观察其微观形貌，结果如图7所示。由图7可知：断口1、断口2裂纹源区的齿面上可见多个大小不等的麻坑；显微组织为低碳回火马氏体，无氧化、脱碳现象，符合渗碳淬火的心部组织要求。

图  7  轴端齿断口剖面试样的微观形貌

截取垂直于未断裂单齿的剖面试样，在光学显微镜下观察其微观形貌，结果如图8所示。由图8可知：齿面两侧均存在麻坑，疲劳主裂纹起源于齿面麻坑处，存在二次裂纹。

图  8  未断裂单齿剖面试样的微观形貌

依据GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》对断裂轴端齿的晶粒度进行检验，结果如图9所示，可见其奥氏体晶粒度为8级，符合企业标准要求（不小于5级）。

图  9  断裂轴端齿的晶粒度检验结果

依据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对断裂轴端齿的非金属夹杂物进行检验，结果如表4所示，断裂轴端齿中的非金属夹杂物符合企业标准要求。

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂轴端齿的化学成分、晶粒度、非金属夹杂物均符合企业标准要求，显微组织为低碳回火马氏体，为渗碳淬火心部的正常组织，布氏硬度超出标准上限。断口和齿面的宏观及微观观察结果显示，裂纹起源于齿面磨痕处；源区附近齿面的磨痕区域存在犁沟、微裂纹、磨屑堆积和剥落麻坑，磨屑中含有铁的氧化物，为典型的微动磨损形貌；断口源区可见台阶特征，扩展区存在疲劳辉纹、二次裂纹和交变挤压痕迹，符合疲劳断口的微观形貌特征[1-2]；瞬断区呈韧窝形貌，且深度仅为36 μm，说明轴端齿发生了高周低应力作用下的疲劳断裂。疲劳裂纹起源于齿面微动磨损形成的麻坑处，因此微动磨损是轴端齿疲劳断裂的直接原因。

未断裂齿面的承载侧与非承载侧均存在微动磨损，且磨损形成的亮区、暗区交界处与断口的相对位置和角度大致相同，均位于沿齿宽方向的外端，与轴向约呈45°，说明各齿面具有相似的应力状态，且齿面外端所受的接触应力较大。断裂端齿盘为正梯形收缩齿形，该齿形在动平衡条件下，齿面内端齿尖处所受的接触应力最大，因此断裂端齿盘在服役时存在偏载现象。

端齿副通过中心拉杆连接，装配时对拉杆施加一定的轴向预紧力，使两个端齿盘相互啮合来传递转速和扭矩。该压缩机在停机检修时，除5级叶轮侧的轴端齿断裂外，其他各级轴端齿的齿面均未发现裂纹，且齿形完好，说明轴端齿的齿形参数及中心拉杆的强度、刚度在设计上是合理的，齿面偏载与拉杆和齿形的设计无关。由端齿副的连接结构可判断，齿面偏载是由中心拉杆松弛造成的。

齿轮轴端齿盘在服役时，主要承受轴向预紧力Fa和扭矩Ma，将预紧力Fa在单齿承载侧上的作用力F和由扭矩Ma产生的扭力Q分解为沿齿面方向的Ft、Qt和沿齿面法向的Fn、Qn，正常工况下Ft≥Qt可保证端齿副不脱齿，齿轮轴端齿盘及单齿的受力分析结果如图10所示。中心拉杆发生松弛，会造成转子不平衡并产生振动，使轴端齿在接触应力、扭转应力及振动应力形成的交变载荷下服役。中心拉杆的松弛，会使Ft不断减小，导致齿面产生微小间隙，正梯形收缩齿形齿面的外端接触间隙小于内端，造成齿面外端接触应力过大，使轴端齿发生偏载现象。5级叶轮侧中心拉杆的拉伸性能符合企业标准要求，可排除因材料拉伸性能不合格造成的拉杆松弛，同时拉杆的强度、刚度设计合理，因此中心拉杆的松弛是由装配预紧力不足造成的。

图  10  齿轮轴端齿盘及单齿的受力分析结果

3.   结论与建议

该轴端齿的断裂性质为微动疲劳断裂。服役时，装配预紧力不足使5级叶轮侧的中心拉杆发生松弛，导致齿面发生微动磨损，裂纹起源于微动磨损形成的麻坑处，在交变载荷作用下，麻坑处产生应力集中，引起疲劳裂纹的萌生和扩展，最终导致轴端齿断裂。轴端齿的硬度超出标准上限对疲劳裂纹的萌生与扩展具有一定的促进作用。

建议在转子装配时，严格按照中心拉杆的预紧力操作规程对端齿副进行预紧，防止转子在高速运转过程中产生间隙。调整齿轮轴的热处理工艺，使轴端齿的强度、硬度控制在设计要求范围内。对压缩机转子的振动值加强监测，从监测信号中预测中心拉杆或端齿副的接触故障，并定期做好检修维护，以防止发生设备失效事故。

文章来源——材料与测试网