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合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效分析合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效分析
周达理肖健
(中国石油化工股份公司巴陵分公司尿素产品部,岳阳414003)
摘要分析了合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效的原因,认为主要是由于该齿轮加工时金属材料及毛坯
选择不当,热处理不好所造成的.在采取了相应的措施后,避免了类似故障的再次发生.
关键词调速器,传动齿轮,失效
中图分类号TQ051.21文献标识码A文章编号1000-6613(2003)09-1010-02
某厂合成氨装置合成气压缩机凝汽透平(103-
JBT)为DELAVE公司的生产的GJMV型透平,机组
采用TM型调速器来控制转速.在一次大修中该厂
对调速器动力传入减速机构第一级传动齿轮进行了
更换,使用的是国产备件.该齿轮图纸技术要求:
材质为20CrMnTi,整体锻造滚齿,调质处理,整体
硬度HB262-302;齿面渗碳淬火,硬度为
HRC50-60,传动比51:116,设计转速11500r/
min.在设备大修投入运行40天后,该齿轮中的小
齿轮即发生故障,整圈齿轮齿从根部断裂,导致合
成气压缩机组脱扣跳车.
1失效齿轮的检查结果
1.1化学成分分析(见表1)
表1失效齿轮金属材料化学成分表
元素CSiPSMn
质量分数/%0.480.28<0.030.010.71
从齿轮材料化学成分分析来看,该齿轮使用是
45#钢,而不是图纸所要求的低合金钢.
1.2低倍组织
沿齿轮中心线剖开,用热酸侵蚀后,采用低倍
金相检查;低倍组织未见冶金缺陷,金相组织流线
图1齿轮低倍组织
与轴线平行(见图1),与棒材轧制方向相同.
1.3金相检验
从金相分析可以看出:齿根组织为回火索氏体
和铁素体(见图2),齿横断面组织为回火屈氏体,
(见图3).
图2齿根组织(600×)
图3齿横断面组织(600×)
1.4硬度检查
对失效齿轮的齿根,轮毂和轴等部位进行了硬
度检测,检查结果见表2.
收稿日期2003-05-19.
第一作者简介周达理(1966—),男,工程师.电话0730-
8537387.
0101 2003年第22卷第9期
化工进展
CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS
表2失效齿轮硬度检测结果
齿根轮毂轴
HRCHBHRCHBHRCHB
29.828029.528030.5287
3028328.527329276
31.52942927632.5303
平均平均平均平均平均平均
30.4285.729276.330.7288.7
2齿轮失效原因的分析
2.1金属材料的分析
从化学成分分析结果看,该零件制造厂家未严
格按图纸要求选用金属材料.45#钢和20CrMnTi
两种材料机械性能对比见文献[1].
通过对两种材料的机械性能对比可以发现
20CrMnTi机械性能明显优于45#钢.虽然该齿轮
付传递负荷较小,但工作转速较高,这就要求齿轮
必须有较高的抗疲劳断裂的能力.在齿轮材料强度
大幅度降低后,齿轮的性能是很难得到保证的,因
此材料的变化是导致传动齿轮失效的原因之一.
2.2热处理工艺分析
经过淬火后的钢在350～450℃左右温度范围
回火(即中温回火)获得回火屈氏体组织,在500～
680℃温度范围回火(高温回火)组织为回火索氏
体[2].从金相分析看,齿根为回火索氏体加铁素
体组织,齿横断面为回火屈氏体组织.显然该齿轮
在加工时采用了调质作为预热处理工艺,然后进行
机械加工,最后的热处理是齿面淬火加低温回火,
但由于淬火时没有获得马氏体组织,使得齿面硬度
偏低,从硬度检查结果看,明显未达到要求(平均
仅HRC30.4),导致齿轮不耐磨.
综合金属材料和热处理两个因素对该齿轮齿根
弯曲疲劳强度极限和齿面接触疲劳强度极限的影响
可以看到失效的齿轮齿根弯曲疲劳强度极限仅是设
计要求的68.6%,齿面接触疲劳强度极限仅是设
计要求的55.8%(表3),这样在高频率交变负荷作
用下,齿根将很容易发生疲劳断裂.
2.3齿轮加工毛坯的分析
从失效齿轮的低倍组织金相照片(图3)上看到
齿轮轮盘组织流线与轴线平行,显然该齿轮是采用
普通棒料而非锻造毛坯加工而成的.通常情况下,
像这种尺寸大小的齿轮和轴,在加工时采用整体锻
造毛坯,其综合机械性能比较好.在锻造过程中,
由于金属塑性变形的结果,使毛坯金属获得较细的
晶粒,同时能压合金属组织内部的缺陷,因而提高
了金属的机械性能和使用中的可靠性,一般可使金
属强度提高20%,韧性提高一倍左右.另外锻造
件的金属流线走向较普通棒料的合理(图4),因此
用锻造件制造的齿轮较由普通棒料加工的齿轮,其
齿根部位抗疲劳断裂的能力要强[3].
表3失效齿轮现状与设计要求的对比
对比项目失效齿轮现状设计要求
材质45#钢20CrMnTi
热处理工艺调质淬火,齿面渗碳
齿面硬度HB285.7HRC50-60
齿根弯曲疲劳强度极限[3]
/N mm-2
1.8HB=
514.26
750
齿面接触疲劳强度极限[3]
/N mm-2
2HB+70=
641.4
23HRC=1150～
1380
图4齿轮锻造毛坯的金属流线
由此可见齿轮加工时毛坯的选用不当也是导致
该齿轮失效的原因之一.
3结论
综合以上分析可以得出以下结论:由于该齿轮
制造时采用的金属材料强度低,未采用锻造毛胚,
齿轮没有按要求进行热处理等,导致该齿轮的抗疲
劳断裂能力,齿面抗磨损能力降低,因此在很短的
工作时间内传动齿就产生了失效.在采取了相应的
措施重新进行齿轮加工后,该齿轮在此后的运行过
程中再也没有发生过类似问题.
参考文献
1徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991
2史美堂.金属材料及热处理[M].上海:上海科学技术出版
社,1980
3濮良贵.机械零件[M].北京:高等教育出版社,1982
(下转第1020页)
1101 第9期周达理等:合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效分析
2齿轮强度校核及其工作可靠性分析
目前,齿轮的设计计算所得出的安全系数都是
以零件的可靠度高低为基础的.以下计算都是采用
高可靠度要求进行,可靠度为99.99%.按美国
《AGMA2001—B88》标准进行强度校核结果见表6.
表6按AGMA2001—B88强度校核结果
计算项目小齿轮大齿轮
计算接触应力SC/MPa788.05787.05
最大许用接触应力SACM/MPa923.08923.08
接触强度的计算安全系数SH1.5251.525
接触强度的最小安全系数SH
min
1.301.30
计算齿根应力ST/MPa250.36245.91
最大许用齿根应力SATM/MPa256.25256.25
弯曲强度的计算安全系数SF1.63761.6673
弯曲强度最小安全系数Sf
min
1.601.60
注:本计算采用的材料接触疲劳极限应力σ
Hlim
=1200MPa,
材料弯曲疲劳极限应力σ
Flim
=410MPa;使用系数K
A
=1.5;轮齿
精度为AGMA13级,并且精密配合修形.
上述计算的安全系数都是刚刚达到高可靠性要
求,因此,可以说GN-25齿轮副在原始设计时其
安全裕度是很小的.经过长期的使用,随着齿轮精
度的逐渐降低,载荷循环次数的累积增加,该齿轮
副的工作可靠性已非常低了.
3结论
GN-25齿轮箱由于原始设计的安全裕度很
小,且设计寿命是20年,因此在运行了2×105h
后,由于金属疲劳产生断齿,为防止类似事故发
生,除了要提高检修质量外,还要在更新设计时提
高安全系数.
参考文献
1萨本佶.高速齿轮传动设计[M].北京:机械工业出版社,
1986.71～72
2葛中民等.耐磨损设计[M].北京:机械工业出版社,1991.
140～142
3刘仲川.齿轮故障诊断润滑油在线监测[M].西安:西安交通
大学出版社,1992.55～56
AnalysisontheGearboxBreakageofCO
2
Compressor
LiHaigen1,SiJian2,TangXizhong1,LiuBin1
(1BalingCompany,SINOPEC,Yueyang414007;
2ZhengzhouResearchInstituteofMechanicalEngineering,Zhengzhou450052)
AbstractThroughanalysisontheappearanceofthefracture,vibrationcauseandbreakageoriginoftheCO
2
compressorgearbox,andthecheckandcalibrationoftheoriginalgeardesignbearingcapacity,thebreakage
causeofthespeedincreasinggearboxteethisfound,andfailurepreventionmeasuresareprovided.
Keywordsgearbox,failure,analy
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
sis
(上接1011页)
FailureAnalysisoftheTMGovernorDriveGearof
SyntheticGasCompressor
ZhouDali,XiaoJian
(UreaProductionDivision,BalingCompany,SINOPEC,Yueyang414007)
AbstractThispaperanalyzesthefailureoftheTMgovernordrivegearofsyntheticgascompressor.It''s
recognizedthattheprimarycauseisduetothemisuseofthematerialandimproperheattreatmenttaken.
Effectivemeasuresaretakenforthepreventionofaccidentoccurredagain.
Keywordsgovernor,drivegear,failure
0201 化工进展2003年第22卷
周达理肖健
(中国石油化工股份公司巴陵分公司尿素产品部,岳阳414003)
摘要分析了合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效的原因,认为主要是由于该齿轮加工时金属材料及毛坯
选择不当,热处理不好所造成的.在采取了相应的措施后,避免了类似故障的再次发生.
关键词调速器,传动齿轮,失效
中图分类号TQ051.21文献标识码A文章编号1000-6613(2003)09-1010-02
某厂合成氨装置合成气压缩机凝汽透平(103-
JBT)为DELAVE公司的生产的GJMV型透平,机组
采用TM型调速器来控制转速.在一次大修中该厂
对调速器动力传入减速机构第一级传动齿轮进行了
更换,使用的是国产备件.该齿轮图纸技术要求:
材质为20CrMnTi,整体锻造滚齿,调质处理,整体
硬度HB262-302;齿面渗碳淬火,硬度为
HRC50-60,传动比51:116,设计转速11500r/
min.在设备大修投入运行40天后,该齿轮中的小
齿轮即发生故障,整圈齿轮齿从根部断裂,导致合
成气压缩机组脱扣跳车.
1失效齿轮的检查结果
1.1化学成分分析(见表1)
表1失效齿轮金属材料化学成分表
元素CSiPSMn
质量分数/%0.480.28<0.030.010.71
从齿轮材料化学成分分析来看,该齿轮使用是
45#钢,而不是图纸所要求的低合金钢.
1.2低倍组织
沿齿轮中心线剖开,用热酸侵蚀后,采用低倍
金相检查;低倍组织未见冶金缺陷,金相组织流线
图1齿轮低倍组织
与轴线平行(见图1),与棒材轧制方向相同.
1.3金相检验
从金相分析可以看出:齿根组织为回火索氏体
和铁素体(见图2),齿横断面组织为回火屈氏体,
(见图3).
图2齿根组织(600×)
图3齿横断面组织(600×)
1.4硬度检查
对失效齿轮的齿根,轮毂和轴等部位进行了硬
度检测,检查结果见表2.
收稿日期2003-05-19.
第一作者简介周达理(1966—),男,工程师.电话0730-
8537387.
0101 2003年第22卷第9期
化工进展
CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS
表2失效齿轮硬度检测结果
齿根轮毂轴
HRCHBHRCHBHRCHB
29.828029.528030.5287
3028328.527329276
31.52942927632.5303
平均平均平均平均平均平均
30.4285.729276.330.7288.7
2齿轮失效原因的分析
2.1金属材料的分析
从化学成分分析结果看,该零件制造厂家未严
格按图纸要求选用金属材料.45#钢和20CrMnTi
两种材料机械性能对比见文献[1].
通过对两种材料的机械性能对比可以发现
20CrMnTi机械性能明显优于45#钢.虽然该齿轮
付传递负荷较小,但工作转速较高,这就要求齿轮
必须有较高的抗疲劳断裂的能力.在齿轮材料强度
大幅度降低后,齿轮的性能是很难得到保证的,因
此材料的变化是导致传动齿轮失效的原因之一.
2.2热处理工艺分析
经过淬火后的钢在350～450℃左右温度范围
回火(即中温回火)获得回火屈氏体组织,在500～
680℃温度范围回火(高温回火)组织为回火索氏
体[2].从金相分析看,齿根为回火索氏体加铁素
体组织,齿横断面为回火屈氏体组织.显然该齿轮
在加工时采用了调质作为预热处理工艺,然后进行
机械加工,最后的热处理是齿面淬火加低温回火,
但由于淬火时没有获得马氏体组织,使得齿面硬度
偏低,从硬度检查结果看,明显未达到要求(平均
仅HRC30.4),导致齿轮不耐磨.
综合金属材料和热处理两个因素对该齿轮齿根
弯曲疲劳强度极限和齿面接触疲劳强度极限的影响
可以看到失效的齿轮齿根弯曲疲劳强度极限仅是设
计要求的68.6%,齿面接触疲劳强度极限仅是设
计要求的55.8%(表3),这样在高频率交变负荷作
用下,齿根将很容易发生疲劳断裂.
2.3齿轮加工毛坯的分析
从失效齿轮的低倍组织金相照片(图3)上看到
齿轮轮盘组织流线与轴线平行,显然该齿轮是采用
普通棒料而非锻造毛坯加工而成的.通常情况下,
像这种尺寸大小的齿轮和轴,在加工时采用整体锻
造毛坯,其综合机械性能比较好.在锻造过程中,
由于金属塑性变形的结果,使毛坯金属获得较细的
晶粒,同时能压合金属组织内部的缺陷,因而提高
了金属的机械性能和使用中的可靠性,一般可使金
属强度提高20%,韧性提高一倍左右.另外锻造
件的金属流线走向较普通棒料的合理(图4),因此
用锻造件制造的齿轮较由普通棒料加工的齿轮,其
齿根部位抗疲劳断裂的能力要强[3].
表3失效齿轮现状与设计要求的对比
对比项目失效齿轮现状设计要求
材质45#钢20CrMnTi
热处理工艺调质淬火,齿面渗碳
齿面硬度HB285.7HRC50-60
齿根弯曲疲劳强度极限[3]
/N mm-2
1.8HB=
514.26
750
齿面接触疲劳强度极限[3]
/N mm-2
2HB+70=
641.4
23HRC=1150～
1380
图4齿轮锻造毛坯的金属流线
由此可见齿轮加工时毛坯的选用不当也是导致
该齿轮失效的原因之一.
3结论
综合以上分析可以得出以下结论:由于该齿轮
制造时采用的金属材料强度低,未采用锻造毛胚,
齿轮没有按要求进行热处理等,导致该齿轮的抗疲
劳断裂能力,齿面抗磨损能力降低,因此在很短的
工作时间内传动齿就产生了失效.在采取了相应的
措施重新进行齿轮加工后,该齿轮在此后的运行过
程中再也没有发生过类似问题.
参考文献
1徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991
2史美堂.金属材料及热处理[M].上海:上海科学技术出版
社,1980
3濮良贵.机械零件[M].北京:高等教育出版社,1982
(下转第1020页)
1101 第9期周达理等:合成气压缩机TM调速器传动齿轮失效分析
2齿轮强度校核及其工作可靠性分析
目前,齿轮的设计计算所得出的安全系数都是
以零件的可靠度高低为基础的.以下计算都是采用
高可靠度要求进行,可靠度为99.99%.按美国
《AGMA2001—B88》标准进行强度校核结果见表6.
表6按AGMA2001—B88强度校核结果
计算项目小齿轮大齿轮
计算接触应力SC/MPa788.05787.05
最大许用接触应力SACM/MPa923.08923.08
接触强度的计算安全系数SH1.5251.525
接触强度的最小安全系数SH
min
1.301.30
计算齿根应力ST/MPa250.36245.91
最大许用齿根应力SATM/MPa256.25256.25
弯曲强度的计算安全系数SF1.63761.6673
弯曲强度最小安全系数Sf
min
1.601.60
注:本计算采用的材料接触疲劳极限应力σ
Hlim
=1200MPa,
材料弯曲疲劳极限应力σ
Flim
=410MPa;使用系数K
A
=1.5;轮齿
精度为AGMA13级,并且精密配合修形.
上述计算的安全系数都是刚刚达到高可靠性要
求,因此,可以说GN-25齿轮副在原始设计时其
安全裕度是很小的.经过长期的使用,随着齿轮精
度的逐渐降低,载荷循环次数的累积增加,该齿轮
副的工作可靠性已非常低了.
3结论
GN-25齿轮箱由于原始设计的安全裕度很
小,且设计寿命是20年,因此在运行了2×105h
后,由于金属疲劳产生断齿,为防止类似事故发
生,除了要提高检修质量外,还要在更新设计时提
高安全系数.
参考文献
1萨本佶.高速齿轮传动设计[M].北京:机械工业出版社,
1986.71～72
2葛中民等.耐磨损设计[M].北京:机械工业出版社,1991.
140～142
3刘仲川.齿轮故障诊断润滑油在线监测[M].西安:西安交通
大学出版社,1992.55～56
AnalysisontheGearboxBreakageofCO
2
Compressor
LiHaigen1,SiJian2,TangXizhong1,LiuBin1
(1BalingCompany,SINOPEC,Yueyang414007;
2ZhengzhouResearchInstituteofMechanicalEngineering,Zhengzhou450052)
AbstractThroughanalysisontheappearanceofthefracture,vibrationcauseandbreakageoriginoftheCO
2
compressorgearbox,andthecheckandcalibrationoftheoriginalgeardesignbearingcapacity,thebreakage
causeofthespeedincreasinggearboxteethisfound,andfailurepreventionmeasuresareprovided.
Keywordsgearbox,failure,analy
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(上接1011页)
FailureAnalysisoftheTMGovernorDriveGearof
SyntheticGasCompressor
ZhouDali,XiaoJian
(UreaProductionDivision,BalingCompany,SINOPEC,Yueyang414007)
AbstractThispaperanalyzesthefailureoftheTMgovernordrivegearofsyntheticgascompressor.It''s
recognizedthattheprimarycauseisduetothemisuseofthematerialandimproperheattreatmenttaken.
Effectivemeasuresaretakenforthepreventionofaccidentoccurredagain.
Keywordsgovernor,drivegear,failure
0201 化工进展2003年第22卷
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