减速机高速齿轮轴断裂失效分析 靳璇

减速机高速齿轮轴断裂失效分析靳璇

摘要：随着社会科学技术的不断发展，减速机在工业生产当中具有较为广泛的

应用，但是减速机在使用过程当中高速齿轮轴经常发生断轴现象，甚至带来一定

的安全隐患。为了解决减速机高速齿轮轴断轴问题，首先从材料、装配工艺以及

运行维护四个方面对导致减速机高速齿轮轴断裂的因素进行了分析，最后从选择

合适的产品、进一步完善减速机的装配工艺以及加强日常管理与维护三个方面论

述了具体的解决对策。

关键词：减速机；高速齿轮轴；断裂失效

引言

某生产企业所用减速机高速轴突然产生早期断裂现象，通过现场查看可知，

电机和减速机间的联轴器已完全脱离，且壳体破碎，其它和这一高速轴一同参与

运转的齿轮轴，均在事故产生之后发生不同程度的弯曲变形。此高速轴属于典型

的齿轮轴，发生断裂后齿面依然保持完好，未发生变形与断齿。现围绕这一减速

机高速轴实际情况，对其断裂失效作如下深入分析。

1减速机轴失效概况

某公司生产的矿用带式输送机在运行90天后，其配套使用的减速机高速轴发生断裂，如图1所示。该减速机齿轮轴发生断裂属于早期失效事故，远低于设计

寿命；为了分析事故原因，避免类似事故再次发生，从材料成分、力学性能、硬度、金相组织、断口形貌等多个方面对断裂轴进行了分析，找到了疲劳源，得出

了失效原因，这对类似工况的断裂轴类的分析提供了有益的借鉴。

图1断裂的减速机齿轮轴

2减速机高速齿轮轴断裂检测

2.1基础资料收集

基础资料的收集是进行减速机高速齿轮轴断裂检测工作的重要基础，对后续

检测工作的正常开展，以及得到准确的检测结果均有重要作用和意义，应引起相

关人员的重视。此次研究的主要对象为3C710NE型减速机，其速比、输入功率和

输入转速分别为2.034、710kW和741r/min。根据生产单位提交的相关工艺图纸，其硬度需要达到59-62HRC的要求。

2.2主要成分检测

对于该减速机，其高速齿轮轴材料为17CrNiMo6，在取样后，用光谱测定仪

与碳硫仪进行成分含量测定，测定结果为：碳含量0.18%、锰含量0.57%、硅含

量0.27%、磷含量0.011%、硫含量0.003%、铬含量1.73%、镍含量1.55%、钼含

量0.28%。通过对相关资料的查证可知，该原材料为德国牌号，成分方面的技术

要求为：碳含量在0.15~0.19%范围内、锰含量在0.50-0.60%范围内、硅含量在不

大于0.4%范围内、磷含量不得大于0.012%、硫含量不得大于0.006%、铬含量在1.50~1.80%范围内、镍含量在1.40~1.70%范围内、钼含量在0.25~0.35%范围内。

通过对比可知，该件硫、磷等元素含量满足技术要求。

2.3主要力学性能检测

为对该件原材料各项力学性能进行检测，通过线切割制得拉伸试样与冲击试样。其中，拉伸试样属于非标准形式的板状试样，其截面面积为4mm×10mm；

而冲击试样则属于U型缺口形式的试样。1#拉伸试样的σs为575.6MPa，σb为1072.5MPa，δ为24%，ψK为46.089%；2#拉伸试样的σs为427.2MPa，σb为

1068.5MPa，δ为23.23%，ψK为46.205%；σs的平均值为501.4MPa，σb的平均

值为1070.5MPa，δ的平均值为23.62%，ψK的平均值为46.147%。1#冲击试样的AXU为71.5J，为89.4J/cm2；2#冲击试样的AXU为82.0J，aKU为102.5J/cm2；AXU的平均值为76.8J，aKU的平均值为95.9J/cm2。从测试结果中可以看出，该

件原材料在热处理后，通过和相关资料的比对，在所有力学性能当中：塑性指标

相对较好，有较强冲击韧性，且断裂极限处在正常状态，但屈服极限指标相对较低。采用经验公式，可对疲劳极限进行估算，结果为424.4MPa。此外，在轴键槽的根部，其半径相对较小，有应力集中现象，承担极大拉应力，若未对其进行有

效处理，将产生疲劳裂缝，最终导致早期失效。

2.4断口失效原因分析

综合以上分析，齿轮轴材料无明显缺陷，而且热处理组织及力学性能优良，

经强度校核及结构分析可知设计合理，排除设计不当的原因。带式输送机使用中，用来输送物料，物料从料斗中掉落在带式输送上，所以带式输送机载荷一直是在

变化的，同时带式输送机因工作需要随时停止和启动，存在冲击及频繁重载启动

现象。经现场人员调查测量，现场其他同批带式输送机装配存在问题，驱动轴装

配存在对中问题。结合试验，该高速轴工作时除受到扭力外，还受到由于对中问

题造成的较大弯矩，同时存在重载启动现象。致使该轴受到较大的额外应力，在

表面过早产生疲劳裂纹源，随着时间的推移，该轴在工作中受到不断变化载荷影响，疲劳裂纹不断扩大，直至最终断裂。

3减速机高速齿轮轴断裂失效处理

3.1在开始安装之前对整个减速机进行系统的检查

高速齿轮轴在质量方面存有问题，并且检查电机和齿轮减速器连接螺栓等尺

寸是否匹配，这里是指电机的定位凸台、电机输入轴与齿轮减速机凹槽等尺寸及

配合公差，这里不能存在任何不符合要求的，使轴出现断裂等故障。

3.2加强现代安装技术的应用

传统人工安装方式在精确度方面存在着较大的问题，无法保障安装的精确性，因此，很容易导致断轴现象。在最近几年当中激光校准与定位技术在减速机高速

齿轮轴安装中的应用有效提升了高速齿轮轴安装的精确性，因此，现阶段企业在

进行减速机高速齿轮轴安装时需要进一步加强现代安装技术的应用。

3.3加强日常管理与维护

加强日常管理与维护也是避免减速机出现高速齿轮断轴的重要方法，具体可

以从以下两个方面入手。

3.3.1制定日常管理与维护计划，企业必须要针对减速机的实际使用情况，定

期的对减速机进行检查，确保所有部件都不存在安全隐患。同时还需要明确检查

中需要重点关注的内容，例如对高速齿轮轴进行检查与维护。

结语

（1）带式输送机减速机轴发生断裂是典型的高度疲劳，其宏观断口形貌呈现明显的疲劳断裂；

（2）经对原材料、硬度、显微组织、力学性能等一系列原因进行分析，均无异常，其断裂的原因是驱动轴的同心度存在超差，在运行中受到较大的弯曲应力，从而在轴的表面产生裂纹源，然后裂纹扩展，从而导致断裂；

（3）对此问题进行了改进，其另外2条生产线在安装机器时，对同心度进行了精确测量，运行良好，从而证明了原因分析的正确性。

参考文献：