談鐵路牽引電力機車從動輪齒圈斷裂

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摘要：通過宏觀檢驗、力學性能檢驗、金相檢驗、化學分析等手段對產生斷裂的牽引電動機從動輪齒圈及齒根部進行檢驗，結合鐵路電力機車從動輪齒圈的圖樣要求對斷裂原因進行了分析。結果表明：齒圈齒根部有明顯的加工痕跡，在夾雜物檢驗中，有大塊的夾雜物存在，同時硬度不均勻，硬化層薄，這些因素都影響齒圈的抗疲勞性能，造成齒圈質量缺陷，加大應力集中，最終導致齒圈發(fā)生疲勞斷裂。

關鍵詞：電力機車；斷裂分析；從動輪齒圈；熱處理；40CrMo鋼

1序言

從動輪齒圈在機車運行的過程中，除主要承受彎曲應力外，還承受轉向制動沖擊載荷，因此要求齒圈具有較高的強度、剛度以及良好的耐疲勞性能。我公司檢修的某型電力機車運行時間不長，發(fā)生牽引電動機從動輪齒圈斷裂，因此，該齒圈屬于早期斷裂失效，斷裂的齒圈如圖1所示。齒圈設計材質為42CrMo，該材質在生產過程中容易帶入有害元素和非金屬夾雜物，影響產品質量[1]。從動輪齒圈的加工工藝為：毛坯鍛造→粗加工→調質→半精加工→表面淬火→精加工，齒圈表面粗糙度和調質狀態(tài)都會影響齒圈質量[2]。根據齒圈的技術要求，齒圈硬化層硬度：52~58HRC，齒頂的硬化層深度1~3mm，齒面硬化層深度2~4mm，過盈配合0.8~0.9mm[3]。

2宏觀及斷口檢驗

斷裂齒圈的斷口如圖2所示。斷口整體較為平整，未見明顯的宏觀塑性變形，斷口上有明顯的貝紋線，因此可以判定該齒圈的斷裂屬于疲勞斷裂。

3理化檢驗

3.1化學成分分析

該齒圈材質為42CrMo，從齒圈未淬硬的部分中心鉆取試樣，進行化學成分分析，結果見表1。分析結果表明，齒圈材質的化學成分符合GB3077—1999《合金結構鋼》標準中對42CrMo的要求。

3.2金相檢驗

從斷口附近的另一個齒處，用線切割機切取金相試樣，（要求保留斷口），按照GB10561—2005進行夾雜物的檢驗，結果為：A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5，夾雜物雖然沒有超過一般的規(guī)定，但是有較大塊夾雜物存在，對疲勞性能有一定的影響，如圖3所示。經硝酸酒精溶液浸蝕后，齒的硬化層的整體形貌如圖4所示。由圖4可見，齒面的硬化層較完整，齒頂的硬化層有薄的地方，齒根部的硬化層很薄，宏觀上幾乎看不到，根據TB/T2989—2000《機車車輛用齒輪供貨技術條件》中6.7.4.1條規(guī)定，要求齒根部應有硬化層，因此這樣的硬化層是不符合要求的。硬化層的金相組織按照JB/T9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》進行檢驗，評為7級，屬于合格級別，無脫碳，如圖5所示。齒圈心部組織為索氏體，但是整體有不均勻現象，如圖6所示。硬化層深度測定，在100倍顯微鏡下檢測，硬化層深度符合要求，硬化層在齒面附近符合技術要求，而在齒頂部，有低于技術要求的地方，但是，這個情況對齒根部疲勞強度幾乎沒有影響。

3.3硬度檢測

按照GB/T230—1991對硬化層進行硬度檢測，結果為：齒頂中部硬度4次測量結果為34HRC、52HRC、39HRC、30HRC，齒頂邊緣的硬度2次測量結果為53HRC、46.5HRC，齒頂中部的硬度有低于要求的，且不均勻，可能與齒頂的硬化層不均有關，這個情況與齒圈的斷裂沒有直接關系，但是齒表面硬度存在的差異則說明硬化層有可能存在問題。因此可以做出這樣的推論，齒根部即使有極薄的硬化層，其硬度也可能存在問題，但是由于沒有直接測定齒根部的硬度，這個結果僅作為參考。

3.4齒根部宏觀檢測

因為齒根部是齒圈工作中承受彎曲應力最大的部位，技術要求中對該部位的表面粗糙度有要求，因此我們對該處進行了宏觀檢驗，齒根部表面的情況如圖7所示，可見有十分明顯的加工痕跡，經解剖后，在100倍顯微鏡下觀察，表面金相組織如圖8所示。

4分析討論

從齒圈斷裂的斷口可以明顯地看出，該齒圈的斷裂屬于典型的疲勞斷裂，從裂紋源的位置及斷口的情況可以看出，齒圈工作時基本沒有偏磨現象，并且工作應力不大；理化檢驗結果表明，化學成分、硬化層組織、基體組織等項目合格，但是齒根部的硬化層很薄，宏觀下幾乎看不到，這與標準要求不符，表面有明顯的加工痕跡，夾雜物檢驗中，有大塊的夾雜物存在，硬度不均勻，且有多個測量值低于技術要求，這些都影響齒圈的疲勞性能。齒圈制造時，考慮到表面的剝離和掉塊及磨損等問題，對齒面有較嚴格的要求，但是，由于齒圈的斷裂在運行中，齒根部位受到最大的彎曲應力，20200229因而齒圈的斷裂大都是從根部斷裂的，因此對齒根部也有較為明確的要求，資料顯示，齒圈的斷裂都和根部質量不良有關[4]。齒根部感應淬火，就是為了提高疲勞強度，并且在齒根部表面形成壓應力，從而最大限度地提高疲勞抗力，夾雜物含量高，或有大塊夾雜物存在，會降低疲勞性能，表面硬化層薄則降低了疲勞性能和表面的殘余壓應力，表面的加工痕跡，不僅加大了應力集中，而且本身往往就成為裂紋源[5]。這些因素都是疲勞斷裂形成的重要因素。

5結論與建議

通過以上的分析，我們認為，電力機車齒圈斷裂的主要原因有以下2點：1）齒圈表面有明顯的加工痕跡，該加工痕跡造成應力集中及疲勞性能的降低。2）齒根部硬化層太薄。另外，齒圈中含有較大塊的夾雜物及齒圈心部組織不均勻，對疲勞性能也有一定影響，表面硬度低及硬度值不均對疲勞性能也有影響。建議嚴格執(zhí)行齒圈熱處理工藝規(guī)范，防止齒根表面硬化層很薄，防止齒圈心部硬度偏低及硬度不均勻等現象發(fā)生；減小齒根部的表面粗糙度值有助于抑制疲勞裂紋源的產生；應該在齒圈制造過程中嚴格按照標準要求鍛造，或進行擴散退火，充分消除組織不均勻造成的應力集中。

參考文獻：

[1]《金屬機械性能》編寫組.金屬機械性能[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]李東林.內燃機車牽引電機軸斷裂分析及解決方案[J].鐵道機車與動車，2014（11）：44-46.

[3]大連內燃機車研究所.TB/T2989—2000機車車輛用齒輪供貨技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2000.

[4]史美堂，金屬材料及熱處理[M].上海：上?？茖W出版社，1980.

[5]陳南平，顧守仁，沈萬慈.機械零件失效分析[M].北京：清華大學出版社，1988.

作者：穆科宇 單位：中車蘭州機車有限公司