谈铁路牵引电力机车从动轮齿圈断裂

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摘要：通过宏观检验、力学性能检验、金相检验、化学分析等手段对产生断裂的牵引电动机从动轮齿圈及齿根部进行检验，结合铁路电力机车从动轮齿圈的图样要求对断裂原因进行了分析。结果表明：齿圈齿根部有明显的加工痕迹，在夹杂物检验中，有大块的夹杂物存在，同时硬度不均匀，硬化层薄，这些因素都影响齿圈的抗疲劳性能，造成齿圈质量缺陷，加大应力集中，最终导致齿圈发生疲劳断裂。

关键词：电力机车；断裂分析；从动轮齿圈；热处理；40CrMo钢

1序言

从动轮齿圈在机车运行的过程中，除主要承受弯曲应力外，还承受转向制动冲击载荷，因此要求齿圈具有较高的强度、刚度以及良好的耐疲劳性能。我公司检修的某型电力机车运行时间不长，发生牵引电动机从动轮齿圈断裂，因此，该齿圈属于早期断裂失效，断裂的齿圈如图1所示。齿圈设计材质为42CrMo，该材质在生产过程中容易带入有害元素和非金属夹杂物，影响产品质量[1]。从动轮齿圈的加工工艺为：毛坯锻造→粗加工→调质→半精加工→表面淬火→精加工，齿圈表面粗糙度和调质状态都会影响齿圈质量[2]。根据齿圈的技术要求，齿圈硬化层硬度：52~58HRC，齿顶的硬化层深度1~3mm，齿面硬化层深度2~4mm，过盈配合0.8~0.9mm[3]。

2宏观及断口检验

断裂齿圈的断口如图2所示。断口整体较为平整，未见明显的宏观塑性变形，断口上有明显的贝纹线，因此可以判定该齿圈的断裂属于疲劳断裂。

3理化检验

3.1化学成分分析

该齿圈材质为42CrMo，从齿圈未淬硬的部分中心钻取试样，进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明，齿圈材质的化学成分符合GB3077—1999《合金结构钢》标准中对42CrMo的要求。

3.2金相检验

从断口附近的另一个齿处，用线切割机切取金相试样，（要求保留断口），按照GB10561—2005进行夹杂物的检验，结果为：A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5，夹杂物虽然没有超过一般的规定，但是有较大块夹杂物存在，对疲劳性能有一定的影响，如图3所示。经硝酸酒精溶液浸蚀后，齿的硬化层的整体形貌如图4所示。由图4可见，齿面的硬化层较完整，齿顶的硬化层有薄的地方，齿根部的硬化层很薄，宏观上几乎看不到，根据TB/T2989—2000《机车车辆用齿轮供货技术条件》中6.7.4.1条规定，要求齿根部应有硬化层，因此这样的硬化层是不符合要求的。硬化层的金相组织按照JB/T9204—2008《钢件感应淬火金相检验》进行检验，评为7级，属于合格级别，无脱碳，如图5所示。齿圈心部组织为索氏体，但是整体有不均匀现象，如图6所示。硬化层深度测定，在100倍显微镜下检测，硬化层深度符合要求，硬化层在齿面附近符合技术要求，而在齿顶部，有低于技术要求的地方，但是，这个情况对齿根部疲劳强度几乎没有影响。

3.3硬度检测

按照GB/T230—1991对硬化层进行硬度检测，结果为：齿顶中部硬度4次测量结果为34HRC、52HRC、39HRC、30HRC，齿顶边缘的硬度2次测量结果为53HRC、46.5HRC，齿顶中部的硬度有低于要求的，且不均匀，可能与齿顶的硬化层不均有关，这个情况与齿圈的断裂没有直接关系，但是齿表面硬度存在的差异则说明硬化层有可能存在问题。因此可以做出这样的推论，齿根部即使有极薄的硬化层，其硬度也可能存在问题，但是由于没有直接测定齿根部的硬度，这个结果仅作为参考。

3.4齿根部宏观检测

因为齿根部是齿圈工作中承受弯曲应力最大的部位，技术要求中对该部位的表面粗糙度有要求，因此我们对该处进行了宏观检验，齿根部表面的情况如图7所示，可见有十分明显的加工痕迹，经解剖后，在100倍显微镜下观察，表面金相组织如图8所示。

4分析讨论

从齿圈断裂的断口可以明显地看出，该齿圈的断裂属于典型的疲劳断裂，从裂纹源的位置及断口的情况可以看出，齿圈工作时基本没有偏磨现象，并且工作应力不大；理化检验结果表明，化学成分、硬化层组织、基体组织等项目合格，但是齿根部的硬化层很薄，宏观下几乎看不到，这与标准要求不符，表面有明显的加工痕迹，夹杂物检验中，有大块的夹杂物存在，硬度不均匀，且有多个测量值低于技术要求，这些都影响齿圈的疲劳性能。齿圈制造时，考虑到表面的剥离和掉块及磨损等问题，对齿面有较严格的要求，但是，由于齿圈的断裂在运行中，齿根部位受到最大的弯曲应力，20200229因而齿圈的断裂大都是从根部断裂的，因此对齿根部也有较为明确的要求，资料显示，齿圈的断裂都和根部质量不良有关[4]。齿根部感应淬火，就是为了提高疲劳强度，并且在齿根部表面形成压应力，从而最大限度地提高疲劳抗力，夹杂物含量高，或有大块夹杂物存在，会降低疲劳性能，表面硬化层薄则降低了疲劳性能和表面的残余压应力，表面的加工痕迹，不仅加大了应力集中，而且本身往往就成为裂纹源[5]。这些因素都是疲劳断裂形成的重要因素。

5结论与建议

通过以上的分析，我们认为，电力机车齿圈断裂的主要原因有以下2点：1）齿圈表面有明显的加工痕迹，该加工痕迹造成应力集中及疲劳性能的降低。2）齿根部硬化层太薄。另外，齿圈中含有较大块的夹杂物及齿圈心部组织不均匀，对疲劳性能也有一定影响，表面硬度低及硬度值不均对疲劳性能也有影响。建议严格执行齿圈热处理工艺规范，防止齿根表面硬化层很薄，防止齿圈心部硬度偏低及硬度不均匀等现象发生；减小齿根部的表面粗糙度值有助于抑制疲劳裂纹源的产生；应该在齿圈制造过程中严格按照标准要求锻造，或进行扩散退火，充分消除组织不均匀造成的应力集中。

参考文献：

[1]《金属机械性能》编写组.金属机械性能[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]李东林.内燃机车牵引电机轴断裂分析及解决方案[J].铁道机车与动车，2014（11）：44-46.

[3]大连内燃机车研究所.TB/T2989—2000机车车辆用齿轮供货技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2000.

[4]史美堂，金属材料及热处理[M].上海：上海科学出版社，1980.

[5]陈南平，顾守仁，沈万慈.机械零件失效分析[M].北京：清华大学出版社，1988.

作者：穆科宇 单位：中车兰州机车有限公司