吴超
新疆天山钢铁巴州有限公司 新疆 库尔勒 841300
摘要：起重机在钢铁等冶炼行业中有着十分重要的应用，而减速机作为起重机中非常关键的设备，对整个起重机的使用性能有直接的影响。起重机的主起升减速机在实际使用的过程中，会出现减速机齿轮轴断裂的情况，从而导致起重机的主钩会出现溜钩的事故，严重威胁现场作业安全。针对这种情况，本文对起重机减速机齿轮轴的材质、力学性能以及制造安装精度等多个方面多齿轮轴断裂的原因进行分析，明确具体原因，在此基础上提出改进措施，避免起重机减速机齿轮轴出现断裂的情况，从而保证作业现场的安全。
关键词：起重机减速机；齿轮轴断裂；原因；改进措施
0引言
在起重机中，减速机是传递扭矩非常重要的部件，其各级齿轮轴在实际工作的过程中，会受到起重机制动时产生的冲击载荷作用以及正常运行时的扭转力作用。在这两种力的作用下，会对减速机运行的性能产生影响，而为了保证起重机能够安全稳定的运行，必须确保各个零部件的可靠性。本文以某型起重机为例，其主升减速机在运行过程中出现高速齿轮轴断裂的情况，导致起重机的主钩出现溜钩事故。该型起重机的额定载重为90t，跨距为22m，主减速机齿轮传动比为50，输入轴的最小直径为70mm，齿轮轴使用的材料为42CrMo。为了避免起重机在后续使用的过程中出现重大的安全事故，本文以此为分析案例，对起重机中减速机高速齿轮轴断裂的原因从多个角度进行分析，明确具体的原因，制定相应的改进措施，从而保证起重机的使用安全。
1断裂情况
减速机齿轮轴断裂的具体情况如图1所示，根据实际情况，发现断裂的位置是在轴径70mm与轴径85mm之间的台阶处，通过观察发现齿轮轴此处的台阶没有明显的圆角，并且加工质量较为粗糙。在高速轴油封的位置发现多条因摩擦而产生的光带。整个端面呈暗灰色并且垂直于主轴线。在断面的起始区域存在较多的小台阶，台阶处没有较为明显的圆角，在接近表面的部位存在摩擦挤压过的痕迹，并且有多个裂源，导致出现多源疲劳特征。齿轮轴的心部存在贝壳纹状的扩展条纹，其最终断裂部分的面积较小，并且有较为明显的撕裂金属特征，从而导致断裂区离轴心较远而偏向源区。具体如图2所示。
图1齿轮轴轴肩断裂位置
图2轴肩断裂处横截面
2 断裂检测与原因分析
2.1同轴度检查
减速机的齿轮轴发生断裂情况后，对减速机的安装精度、齿轮轴的材质以及力学性能等多个方面进行仔细分析。使用仪器测量电机与断轴一侧的减速机的同轴度，发现同轴度的水平方向存在0.72mm的偏差，垂直方向存在1.985mm的偏差，而国标规定的刚性齿接手的安装偏差最大为0.45mm，因此电机与减速机存在较大的同轴度偏差。
2.2断口微观检查
对齿轮轴的疲劳源区、扩展区以及最终断裂区使用扫描电镜进行断口微观检查，得到如下结果：
（1）疲劳源区，在靠近齿轮轴的表面，存在较多的韧性疲劳条纹，因为齿轮轴在断裂时会受到较为严重的挤压摩擦，使得齿轮轴台阶处的圆角部位加工痕迹比较粗糙，具体如图3、图4所示所示。
图4表面加工刀痕
（2）扩展区，断裂扩展区是较为典型的疲劳贝纹弧线，并且存在二次裂纹。在扩展区和最终断裂区的过渡位置，发现存在成分偏析的情况，利用能谱分析，发现这个区域存在较多的Si与Mn，具体如图5所示。
图5疲劳扩展贝纹线及放大后疲劳条带和二次裂纹形貌
（3）最终断裂区，在最终断裂区与扩展区过度处，存在韧性断口与解理断口，具体如图6所示，其中韧性断口呈方向性的剪切韧窝，具体如图7所示。
图7最终断裂区撕裂棱形貌
在最终断裂区的中心处，其呈现出河流状花样的解理断口与准解理断口的形貌，加上外力的作用，还出现了一定量的二次裂纹，具体如图8所示。
图8解理和准解理形貌与二次疲劳裂纹
2.3齿轮轴检测
对齿轮轴的化学成分以及力学性能进行检测，得到表1、表2所示的结果。根据化学成分的检测结果，发现减速机齿轮轴的化学成分都能够满足技术要求；根据力学性能的检测结果，发现减速机齿轮轴的屈服强度以及抗拉强度等指标达不到实际的技术要求。
2.4齿轮轴内在质量检测
减速机齿轮轴采用的是调质热处理工艺，调质后得到的金相组织应为回火索氏体，从而能够使齿轮轴具有较高的抗拉强度与屈服强度，并且具有较高的抗冲击等力学性能，进而满足起重机实际工作时的性能要求。但对断裂的齿轮轴进行质量检测发现，齿轮轴从表面到心部的金相组织为较少的回火索氏体与较多的针状铁素体，具体如图9到图12所示。
图11表层组织照片200×
图12表层组织照片500×
3 齿轮轴断裂失效机理
减速机齿轮轴轴肩处缺少过渡圆角，并且加工刀痕过于明显，从而导致轴肩的应力集中情况比较严重。同时因为齿轮轴的热处理工艺不满足国标的相关要求，其金相组织存在较多的针状铁素体，从而导致齿轮轴的抗疲劳强度与抗冲击能力较差，使齿轮轴的强度出现较大程度的下降。起重机在运行过程中，齿轮轴需要频繁的进行正反转并且冲击振动较大，从而导致容易出现裂纹并不断扩展。伴随着疲劳裂纹的扩展、轴肩处沿裂纹开裂，使得齿轮轴的有效承载面积下降，当难以承受设备运行时的扭转力矩时，就会出现瞬时断裂的情况。此外，因为减速机的安装存在较大的同轴度，导致齿轮轴在实际运行时会受到较大的弯曲应力作用，导致终断区偏离轴径中心处而偏向裂纹源。
4改进措施
齿轮轴在旋转时受剪切应力以及交变弯曲应力等多种力的作用，因此需要齿轮轴的心部具有较高的强度、韧性与疲劳强度，并且还应当具有一定的抗冲击能力，其表面耐磨性与硬度也应当满足一定的要求。为了满足这些要求，可采用以下措施：
（1）齿轮轴的毛坯完成锻造后采用正火进行热处理，消除锻造时产生的内应力，将晶粒细化，从而使后续在进行机加时具有较好的切削性能。
（2）调质是淬火加高温回火的热处理方式，能够使齿轮轴具备较好的综合机械性能，其金相组织为回火索氏体，进而满足齿轮轴的屈服强度与抗拉强度的要求，同时具有较高的抗冲击能力。42CrMo齿轮轴热处理方式为先进行840°C油淬，再进行480°C的回火处理，其硬度能够达到HRC35~45，综合机械性能较好。
（3）在对起重机减速机的齿轮轴进行设计时，应当考虑轴肩等位置的应力集中问题，进行相应的优化，参照相关规范要求对过渡圆角和表面粗糙度进行合理的标注。并且在加工时应保证加工精度，尽可能的减小应力集中。
（4）在对设备进行安装调试时，应确保电机轴与减速机输入轴的同轴度满足标准，从而降低齿轮轴在设备运行时所承受的旋转弯矩载荷。
5结语
起重机在使用过程中需要频繁进行启停与正反转，如果减速机的齿轮轴出现断裂情况，则作业现场会存在较大的安全隐患。本文通过从多个方面进行分析，确定导致齿轮轴断裂的多种原因，提出相应的改进措施，从而对保证减速器齿轮轴的正常使用有重要帮助。
参考文献
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作者简介：姓名：吴超（1986.02.09）；性别：男，民族：汉，籍贯：山西省天镇县，学历：本科；现有职称：中级工程师；研究方向：机械工程。