机车轮对齿轮崩齿的原因分析及改善

机车轮对齿轮崩齿的原因分析及改善
摘要：通过对电力机车裂损从动齿轮进行现场检查、理化检验、断口分析、失
效原因分析，指出从动齿轮齿裂是由于齿轮表面局部过载，淬硬层存在淬火软区，电力机车从动齿轮属于斜齿轮双侧驱动结构，在运用过程中多次发生从动齿轮齿
面裂损现象，严重时发生齿圈崩箍事故，对行车安全造成不利影响，为减少从动
齿轮发生裂损问题提出了一系列改进措施。

关键词：电力机车；从动齿轮；裂纹
1现场检查情况
以车型从动齿轮属于齿圈和齿轮芯组合结构，裂纹多位于轮对侧，某机车齿
圈断裂崩箍故障现场。

该机车在运用途中发生齿圈崩箍现象。

电力机车从动齿轮，轮心材质为ZG25 Ⅱ（ZG230-450）；齿圈材质为42 CrMo，表面中频感应淬火，
为了深入分析齿部疲劳裂纹产生的原因，对断裂的轮齿进行取样分析。

（1）化学成分。

在断裂齿圈上取样分析，分析结果显示C，Si，Mn，P，S，Cu，Cr，Mo 等化学成分符合GB 3077—1999 的要求，个别齿心部组织存在较大的夹杂物。

（2）硬度检测。

心部硬度检测HB 266，满足要求。

齿面硬度在HRC 42～54
之间，硬度平均值为HRC 49.4，淬硬层硬度分布不均匀，齿根部硬度不符合要求，存在淬火软区。

（3）淬硬层深度。

同一轮齿经线切割解剖为三部分，分别进行淬硬层检验，齿中部的淬硬层深度2～3.5 mm，且整体较为完整，对齿轮靠近车轮一侧的淬硬
层进行检验，淬硬层不够完整，有个别地方没有淬硬层，见图3。

（4）断口分析。

齿轮在运行中出现多处疲劳裂纹，通过对断口的分析可以看出，裂纹均起源于齿轮表面，作用力低于材料屈服强度，无明显的冲击载荷存在
的迹象，表面无严重的烧伤和腐蚀。

其中A 区为裂纹源区，有磨损和变形；B 区
为疲劳裂纹扩展区，贝壳状纹理线十分清晰，且扩展得较为充分；C 区为瞬时破
断区，有明显的放射状条纹，且纹路较粗。

除了局部地方外，断口整体无宏观塑
性变形。

如图。

2失效原因分析
（1）主从动齿轮啮合的影响。

主动齿轮采用单侧全削边齿向修形，齿轮轮对一侧承载较高，容易因偏载导致疲劳，根据斜齿轮工作原理，啮合从齿顶开始到
齿根逐渐增加到逐渐减少，其在齿顶和齿根部产生的载荷较为集中。

（2）齿面热处理的影响。

根据机车牵引齿轮齿廓感应强化技术条件中规定，从动齿轮有效齿宽硬化区应不小于齿宽的80%，齿宽两端各10%齿宽范围不作检查。

齿轮表面靠近车轮一侧淬硬层不完整，是由于感应线圈运行不到位，或者有
偏角，致使齿轮表面靠车轮一侧某些部位没有淬到火。

由于从动齿轮两侧端部存
在着淬火软区，而且主从动齿轮啮合时，会在轮对侧产生应力集中，很容易造成
轮齿启动时端面偏载。

在循环载荷的作用下，齿轮表面萌生了疲劳裂纹源，在应
力的作用下，裂纹沿应力最大的方向扩展，较大夹杂物的存在和心部组织不良加
快了疲劳裂纹的扩展速度，当裂纹扩展到不足以支持外力时，发生瞬时断裂，产
生打齿现象。

断齿脱离齿圈后，齿圈表面形成不规则的粗糙表面，在齿圈表面留
下尖锐凹槽缺陷。

当主动齿轮在此处频繁经过时，缺口处应力集中非常严重，最
终造成齿圈断裂。

断裂的齿圈在轮芯上滑动，断茬在轮芯表面留下大量密集的啃
伤痕迹。

（3）过盈装配的影响。

据计算，设计最大过盈量在齿根部最大等效应力达388 MPa，接近齿圈疲劳强度的70%，是实际工作应力的两倍。

再加上齿轮工作
时轮齿啮合对齿根部的弯曲应力，两种载荷叠加后产生的应力总和接近齿圈材料
的疲劳强度，使得从动齿轮的可靠性受到很大影响。

（4）改进措施
①采用新型分体式齿轮。

新型分体式从动齿轮及主动齿轮均采用双侧齿向、
齿廓修形，使轮齿靠近两端面处更加平滑，保证齿轮的啮合点集中在齿宽的中部，在一定程度上，可以避免齿轮两端偏载及齿部淬火软区存在而产生疲劳裂纹。

②改进齿轮热处理方式。

为防止从动齿轮轮齿两端淬火软区的存在，合理制
定单齿中频感应淬火工艺。

理想的状态是沿全齿廓全齿宽获得均匀的硬化层，这
样既提高了齿轮的弯曲及接触疲劳强度，也延长了使用寿命。

③采用新式整体齿轮。

最新研制的新型整体齿轮，避免了过盈装配带来的齿
轮根部较大的拉应力，提高齿轮根部承载能力两倍以上，从根本上解决了齿轮根
部拉应力大的问题，提高了齿轮承载能力，可靠性高，适合于重载线路运用。

④采用合适的润滑脂。

从动齿轮与主动齿轮的润滑，采用油脂润滑。

在冬季
和夏季应按不同的环境温度条件，及时更换不同种类的润滑脂。

防止因齿面润滑
不良产生磨损过度、黏连、过烧等现象，避免引发齿面疲劳裂纹的产生。

3故障原因分析
齿轮箱漏油问题日益严重，严重影响了机车运行，同时也给检修部门带来了
极大的压力，经过检修后的齿轮箱反而裂、漏更多：
（1）轮箱通气孔不畅。

以前我们所使用的齿轮箱通气孔经常堵塞或取消，造成空气流通不好，使机车在高速运行时油温升高，产生热膨胀，使齿轮箱内部的
压强大于大气压产生负压，一旦得不到消除，就会产生齿轮箱的油脂向抱轴瓦窜
油或从齿轮箱油封处漏出。

（2）齿轮箱安装座有效承载面积小。

机车在运行过程中主要有两种振动，即垂直振动和横向振动，垂直振动最为严重，主要因为齿轮箱的质量由牵引电机和
抱轴箱支承承担。

电机随着速度的变化上下振动，再加上线路状态不好使振动加剧，齿轮箱固定在电机上，同时也振动。

在振动过程中，使齿轮箱产生位移，应
力集中在固定螺栓的根部，当应力超过一定极限时，齿轮箱就会振裂，从而使油
漏出。

（3）齿轮箱有异物。

机车运行中由于种种原因，齿轮箱内可能产生异物，异物与齿轮箱体发生高频撞击会使齿轮箱变形，出现裂纹甚至孔洞。

4解决措施：
（1）齿轮箱经检修后要严格执行组装工艺。

注意两者之问的配合间隙，认真进行有效的调整，消除组装不良产生的组装应力。

采用齿轮箱活动式通气孔，并
加大通气孔口径，增大了空气的流通，使通气孔不易堵塞而产生负压。

保持牛皮
油封与轴径的密封作用，以增加齿轮箱上、下体之间的紧密程度。

对齿轮箱的各
合口处用薄海绵加乳胶进行处理，防止合口间隙过大而漏油。

（2）严格控制轮箍椭圆度。

主要采取加强机车轮箍状态检测和轴重调整。

当轮缘或踏面厚度差值超过限度时，就要及时安排镟修。

（3）对齿轮箱焊修中存在的问题，我们制定了详细的焊修工艺，主要从焊前处理、焊中控制和焊后检查三个方面加以改进。

第一，焊前处理：先把齿轮箱残
留的油污、杂质清理十净，对二次开焊的旧裂纹应先去除旧的焊堆，然后调整裂
纹两侧箱体，使其在自然状态下保持同一平面上，并在裂纹的两端钻中3～5mm
的止裂孔，将裂纹用砂轮打磨成2×45°坡口，以确保可以焊透。

第二，焊中控制：适当调整焊接电流，及时去除焊接应力，确保焊接质量。

第三，焊后检查：对焊
接中发生变形的部分应进行调平，对上下箱进行合箱检查，确保对接部位平整。

通过使改进后的齿轮箱装车试验取得了良好的效果，使机车在一个年修期内
没有一个齿轮箱因漏油而下车整修。

这不仅提高了机车的性能，同时降低了检修
职工的劳动强度，减少了机车检修成本的支出。

参考文献：
[1] 陈丽洁.电传动机车转向架结构与原理[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.
[2] 洪连进.电力机车的车轮踏面和轮缘外形组合听器[J].应用声学，2012（3）.。