赵洵
南京三方化工设备监理有限公司 210000
摘要：针对挤压造粒机主齿轮故障的情况，从宏观到微观，从理化分析到力分析，提出了故障分析过程和故障机理，希望对同行有借鉴意义。
关键词：挤压机；齿轮；疲劳断裂；失效分析
用聚烯烃法制得的PP/PE粉体密度低，粉体细，表面积大，易吸收空气中的氧气和水分，易老化，不利于运输和储存。为了提高产品质量及其稳定性便于运输和存储，要从反应器中获得的粉末必须通过挤出造粒装置形成[1]。该单元由驱动装置进料装置、缸、螺杆、启动阀、换网器和水下造粒机组成。主变速箱是该单元的关键传动元件。由于在单元检修期间发现了主变速箱输入轴的开关齿断裂，因此从物理，化学和力学的角度分析了故障机理[2]。
1.机组概况
聚丙烯挤出造粒装置是由外国制造商生产的双螺杆模型，螺杆向一个方向旋转。主变速箱由电动机驱动，并配有两速封闭式变速箱。它的功能是减速（螺旋钻的转速较低。两个螺钉在相同方向上同步旋转）。其中，输入轴配备了高速和低速变速离合器，可满足各种生产负荷的需求。
2.失效问题提出
该装置已于2010年2月正式投入使用，并已按计划于2014年5月进行了大修。检修之前，设备会在正常振动的情况下平稳运行。拆卸和检查后发现，主变速箱输入轴的高速齿轮和低速齿轮的许多零件都有断齿。滑动套筒的外轴齿和内齿上也有一些断齿。由于接合表面上的强烈挤压而导致的塑性变形痕迹，使齿轮产生裂痕（如图1所示）。
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图1主齿轮箱输入轴换挡齿轮断齿
轴上内齿的断齿数为15，外齿的断齿数为5。故障位置的齿轮模块为5mm，内齿轮和外齿轮的齿数为66，齿的宽度是70mm。
3.失效原因分析
3.1断齿失效机理分析
3.1.1断口宏观分析
取所有断牙中的5个作为样本进行分析。这些断齿是疲劳失效的特征。断裂显示出清晰的壳体形状和放射状，接合表面显示出严重的塑性挤压变形。
故障源位于齿轮的外表面，并沿径向方向发展，最终发生故障，疲劳有多个阶段，也就是多个疲劳源。这也表明齿轮齿是多处疲劳断裂，而最后一部分是瞬时断裂。另外，样品瞬时破坏的最终区域的面积很小，这表明齿轮裂纹的扩展是足够的，并且主要是齿轮被破坏了。
疲劳破坏具有三个特征：明显的裂纹萌生区，扩展区和即时断裂的最终区。图中的数字非常明显。最终瞬时故障区域的大小指示故障期间的负载大小。瞬时破坏区域越小，负载越低。从齿轮的这些断裂中可以看出，齿轮各表面上即时断裂的最终区域的大小是不同的，这表明这些齿轮不会同时断裂，并且断裂的载荷是不同的。对于具有充分传播和较小的飞边断裂区的疲劳裂纹，应首先发生裂纹，然后较大的飞边断裂区应随后断裂。
3.1.2断口扫描电镜和金相组织分析
裂纹的扫描电子显微镜分析表明，多个齿轮裂纹的疲劳裂纹已完全扩展，瞬时断裂面积较小，一定是第一次断裂的齿轮。使用扫描电子显微镜对断齿的破裂接触表面进行分析后，发现了清晰的塑性位移痕迹和在接触表面上明显的微观裂纹，以及沿齿轮高度滑动的痕迹。
观察到具有断齿的断裂样品的金相显微组织，发现齿轮的表面被压缩并且出现微裂纹。表面结构与内部结构相同，金相结构为山梨糖醇和上贝氏体。齿轮表面上有许多微裂纹，齿轮表面上没有微裂纹。
3.2齿轮受力分析
3.2.1基于ANSYS的有限元分析
指示一所国内大学对故障齿轮进行有限元分析，检查输入轴的刚度，分析力和变形，仅给出分析和计算的结果。内齿轮主要受两个力矩影响：一个是输入和输出齿轮产生的扭矩；另一个是输入和输出齿轮产生的扭矩。另一个是齿轮啮合引起的反向扭矩。发动机的额定功率为10,600kW。正常情况下，功率不超过额定功率的80％，变速箱的设计扭矩为8480kW。
通过有限元计算和分析，可以确定内齿轮和外齿轮啮合表面上的齿根容易产生应力集中，并且它们全部出现在内齿轮的内侧，而另一侧的应力使齿根留在齿轮表面上，不会发生显着变化，并且通常是均匀的，这与齿轮从齿根拉出并在内部发生以及表面的塑性变形相吻合。
3.2.2齿轮轴的刚度校核
使用等效直径方法将小齿轮轴转换为抛光的杆轴，然后检查其弯曲和扭曲，并计算出弯曲应变和位移。
（1）受径向力F1作用
左支承处转角：
端点A处的位移：
（2）受弯矩ME作用
轴向力产生的转矩：
左支承处转角：
端点A处的位移：
在理想情况下，不考虑制造等其他因素，齿轮部件弯曲变形引起的位移为0.0285mm，虽然很小，但根据有限元建模，应力会在内齿轮齿根处发生变化。
考虑到弯曲刚度，输入轴在理想情况下不应引起弯曲变形，并且轴应不受干扰和旋转角度。由于理想的加工方式是每个齿轮的应力相同，因此，每对齿轮的圆周力，径向力和轴向力的影响会相互抵消，并且不会发生轴偏斜或旋转。但是，在现实条件下，机械加工和装配将不均匀，从而导致载荷分布不均匀，并且每对齿轮的力无法完全抵消，从而导致轴偏转和旋转。此外，载荷分布的不均匀性越大，每对齿的强度差越大，轴的变形越大，轴的偏转和旋转角度越大。
4.结束语
齿轮失效的直接原因是微动疲劳断裂
通过对齿轮接触表面的SEM分析，可以清楚地看到在齿轮表面上塑料的明显位移和滑动痕迹。从有限元法的分析可以看出，内齿轮和外齿轮的应力集中出现在齿根附近的啮合面上。
轴刚度不足是导致齿轮失效的根本原因
从力的分析中可以看出，轴的刚度设计裕度不足，这将导致轴的轻微变形和位移，从而导致截面中齿根应力的较大变化，这将导致轴的轻微变形和移位。导致疲劳损坏齿轮。建议增加轴的刚度，制造精度和齿轮的组装，以最大程度地减少不均匀的载荷分布并减少齿轮之间的相对滑动。同时，改进换档齿轮的设计（可以增加齿轮部件的总轴直径）和齿面材料的特性（例如硬度，涂层等）将减少疲劳。
参考文献：
[1].大型PP挤压造粒机组国产化告捷[J].工程塑料应用,2019,47(04):127.
[2].大型国产化聚丙烯挤压造粒机组成功下线[J].塑料科技,2019,47(04):47.