作为传动系统重要组成部件之一，齿轮轮齿的质量与性能决定着整个系统的性能、可靠性和安全性。高精度、高性能的齿轮可以有效提高系统的运动精度，保证啮合的平稳性，减小速度波动和噪音，提高整个系统的承载能力、使用寿命和安全性。齿轮轮齿的断裂会严重影响系统的性能，引发机械系统的二次损伤，存在巨大的安全隐患，同时也会给企业带来严重的经济损失。某公司使用的港机回转齿轮箱在工作过程中发生了轮齿断裂现象，故障发生后，寻求我司帮助分析失效原因并进行相 应的性能优化。我司通过金相组织以及系统变形分析，对症施策，采用修形措施对齿轮进行优化，提高了齿轮的承载能力和整体疲劳强度。本文对该事故的处理进行技术总结，其经验可为水泥企业生产装备类似事故的处理提供参考。 

港机回转齿轮箱通常作为港口起重设备(如岸桥、场桥、门座起重机等)回转机构减速装置，主要作用是将电机的高速低扭矩输出，转化为低速高扭矩动力，驱动设备实现回转运动。某港口回转设备结构如图1所示，电机的输入扭矩经过减速齿轮箱增扭后，由下方小齿轮驱动设备转动。在实际安装运行2~3月后，小齿轮出现断齿现象，断齿部位约占3/4整齿[见图2(a)]，断齿断裂面均呈河流状快速扩展形态，断裂源靠近齿根部位，整体接触印痕和磨损偏向一端，呈现出严重的接触偏载现象[见 图2(b)箭头及红圈区域所示]。接触偏载使此区域承受数值更大、位置更集中的应力，从而诱导此部分轮齿断裂失效。

2.1 金相组织分析 

金相组织分析通过探究金属与合金内部显微组织、晶粒形貌、相组成及缺陷，可实现对齿轮箱零部件的热处理质量的分析评估与失效原因的判定，并可进行寿命预测[1] 。案例中发生轮齿断裂失效的小齿轮材料为20CrMnMo，该钢材是一种高强度渗碳钢，属于合金结构钢，主要用于传动齿轮、曲轴、凸轮轴等高负荷零件的制造，具有优良的抗拉强度（≥1180MPa）和屈服强度（≥885MPa）， 兼具良好的低温冲击韧性，说明小齿轮材料选择合理；轮齿的齿面渗碳硬化层深度为3.3~4.5mm，齿根渗碳硬化层深度≥2.25mm，齿表面硬度 58.0~62.0HRC，心硬度为25.0~47.0HRC。本节 中主要分析内容涉及表面形貌(包括宏观分析和扫描电镜分析)、化学成分、非金属夹杂物，热处理后的硬化层深度、硬度和显微组织等的分析。 

2.1.1 表面形貌分析 

图3(a)为断口表面宏观形貌特征，整个断裂面 呈脆性快速扩展形貌。在扫描电镜下观察可以看 到，断裂源部位呈沿晶和准解理形貌[见图3(b)]， 裂源附近扩展区呈解理形貌[见图3(c)]，远离裂源 区域可看到解理形貌[见图3(d)]。

图3 断口的表面形貌和扫描电镜分析

2.1.2 化学成分分析 

故障齿轮的主要化学成分参考标准与实测值如表1所示，符合技术要求。

2.1.3 洛氏硬度检查(HRC) 

对齿轮取一齿形样进行硬度检查，横向切割并抛光检测面，在1/2齿高，距表面0.25mm处测定，结果左齿面为58.0HRC，右齿面为59.9HRC；距齿根表面0.25mm处测定，结果为59.7HRC；心部硬度（在轮齿中心线与齿根圆相交区域测定）为31.0~32.5HRC，均符合技术要求。 

2.1.4 硬化层深度检查（CHD） 

在1/2齿高处检测，结果为左齿面CHD550HV1=3.68 mm，右齿面CHD550HV1=4.34mm；在齿根处检测，结果为CHD550HV1=3.71mm，均符合技术要求。 

2.1.5 非金属夹杂物检测 

在轮齿中心线与齿根圆相交区域纵向检测，按GB/T 10561-2005标准（等同于国际标准ISO4967：1 998）检查和A法评定，结果见表2，符合相关技术要求。

2.1.6 金相组织分析 

在裂源区域取样磨制后观察[图4(a)]，可看到裂源处存在呈断续网状分布的小块状碳化物，裂源附近齿根表面存在深约0.033mm的内氧化和非马组织层，符合要求。靠近1/2齿高处渗碳层组织为针状马氏体+少量细小粒状碳化物和残余奥氏体[图4(b)]，按《重载齿轮渗碳金相检验》JB/T6141.3-1992标准评定，马氏体为3级、残余奥氏体为1级、碳化物为1级。齿心部组织（齿根圆与轮齿中心线相交区域）为粒状贝氏体+低碳马氏体[图4(c)]，符合标准。

2.2 齿轮强度计算 

由图2(b)可知，小齿轮齿面接触印痕偏向一侧，这表明小齿轮在工作过程中存在接触偏载现象。接触偏载会导致齿向载荷分布系数KHβ、KFβ增加[2,3]，参考ISO 6336：2006标准，由公式（1）、（2）可知，齿向载荷分布系数增加会使齿轮的齿 面接触强度的计算安全系数S_H和齿根弯曲强度的计 算安全系数S_F减小，即接触偏载会降低S_H和S_F，提高齿轮失效风险。

式中，K_A是使用系数；Kν是动载系数；Kγ是不均载 系数；K_Fα、K_Hα是齿间载荷分布系数；σ_Flim、σ_Hlim是 疲劳极限实验值；YST是实验应力修正系数；Y_NT、 Z_NT是寿命修正系数；Y_X、Z_X是尺寸系数；σ_F0、σ_H0 是公称应力；Y_δrelT是相对齿根圆角敏感系数；Y_RrelT 是相对齿根表面状况系数；Z_L是润滑剂系数；Z_V是速度系数；Z_R粗糙度系数；Z_W是工作硬化系数；Z_B/D是单对齿啮合系数。 

对比分析国外公司生产的相同产品，发现A经过齿向修形处理。如图5所示，靠近箱体一侧[I端，图5(a)]齿厚为47.46mm，而另一侧[II端，图5(c)]齿厚为47.7 mm，而中间部分齿厚为47.54mm。小齿轮经过齿向修形后，可以使齿轮齿面压力分布均匀，有效减少接触偏载现象[4,5]。因此，针对案例中小齿轮所发生的断齿现象，本文提出了一种提高齿轮强度和承载能力的修形方案。

2.3 小结 

由上述分析可知，断裂小齿轮材料化学成分、非金属夹杂物、热处理后的硬化层深度、硬度和显微组织等性能均符合相关技术要求。经渗碳淬火后心部组织为粒状贝氏体+低碳马氏体，硬度也满足设计要求，具备一定低温冲击韧性。宏观检查发现小齿轮断裂面呈河流状快速扩展形态，断口微观多为解理形貌，表现为脆性断裂形态，且齿面接触印痕的分布偏向一侧。与国外产的相同产品A对比发现，案例齿轮轮齿断裂是由瞬时较大偏载应力所致。

3.1 齿轮修形基本理论 

齿轮修形包括齿向修形和齿廓修形两个方面。齿向修形可以使齿轮受载变形以后齿面压力分布均匀，减少偏载，同时避免应力集中现象。常见的齿向修形方法有线性修形、鼓形修形、螺旋角修形、以及对齿向两侧进行线性或抛物线形修形等[6,7], 如图6所示。如图7(a)所示，齿轮啮合时，法向力对主动齿轮基节有减小作用，而对从动轮基节有增大作用。

这时，前一对轮齿尚未到达C点，后一对轮齿已提前进入啮合点，啮合点不在啮合线上。这导致被动齿轮速度增加，主动轮速度减小，被动轮齿顶在主动轮靠近齿根产生干涉磨损[8,9]。为避免这一现象，减小齿轮副啮入啮出冲击和载荷波动，通常需要对齿轮进行齿廓修形，包括齿顶修缘和齿根修形，如图7(b)所示。其中，d_Ca是修形起始点位置， C_αa是齿顶修形量，C_αf是齿根修形量。

3.2 回转齿轮箱小齿轮修形方案及结果 

在本案例中，选择对小齿轮采取综合修形的方法，即同时进行齿向修形和齿廓修形。为了确定最佳修形参数，通过KISSsys软件建立齿轮箱的传动模型，如图8所示，电机的输入通过转轴带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮实现回转运动，其中黄色圆环表示轴承座。

齿轮副的主要参数由表3给出，直齿轮压力角α=20°，中心距a=2122.2183mm。 本方案中齿廓修形主要采用了齿顶抛物线修形法，参考标准ISO6336-22计算齿顶修缘量，修形量Cαa=60μm，根据经验方法计算得到的修形起始点dCa=374.887mm。 本案例中的小齿轮在齿宽方向上采用多种不同修形类型的组合，详细的修形方案以及参数由表4给出。螺旋线修形量根据系统变形计算得到，端部倒坡及齿向鼓形根据工程经验取值。其中，I端表示靠近转轴一侧的轮齿位置，而II端表示远离转轴 一侧的轮齿位置，参照图5(a)和图5(c)。

在实际案例中，考虑了额定功率P₀=55k_W的0.5倍、0.75倍、1.0倍三种使用工况，并使用KISSsys对修形后的传动模型进行仿真计算和接触分析，强度计算的使用系数K_A=2.1。分析计算结果表明，修形前后三种工况下齿轮齿面接触斑点以及应力分布变化是一致的，这里选用0.75倍P₀这一工况加以说明，结果如图9所示。从图9中可以看到，修形后齿轮啮合的有效接触区域有所增加[图9(a)右图所示]；齿轮表面的应力分布更加均匀[图9(b)中右图所示]，而修形前齿面接触应力集中在I端，约占齿面1/2~3/5，呈现出严重偏载现象，这一结果也与小齿轮实际断齿情况相吻合。 表5为额定功率P₀=55 k_W的0.5倍、0.75倍、1.0倍三种使用工况下仿真计算得到的K_Hβ、S_F、S_H结果，从表5可以看到，经过齿轮修形后，齿向载 荷分布系数显著减小，齿面接触强度的计算安全系数SH和齿根弯曲强度的计算安全系数S_F得到改善， 满足此案例中的S_F≥1.6、S_H≥1.0性能要求。未修 形时在0.75P₀及以上工况齿轮强度均不满足要求， 存在失效风险。显然，通过齿向修形与齿廓修形可 以有效解决齿轮接触偏载问题，提高齿轮整体强度 以及承载能力。

（1）针对港机回转齿轮箱中小齿轮轮齿折断失效现象，通过金相组织以及接触偏载分析确定了该案例轮齿折断是瞬时较大偏载应力所导致； 

（2）为解决齿轮接触偏载问题，提高齿轮强度和承载能力，本文提出了齿轮齿向修形和齿形修形方案，并通过KISSsys软件建立了传动系统的仿真模型。结果表示，通过对齿轮进行修形，可以有效减小齿向载荷分布系数，优化齿面载荷分布，提高齿轮强度以及承载能力。 

修形后该回转齿轮箱各项性能均满足要求，目前使用中已无断齿现象反馈。该案例为水泥企业齿轮轮齿折断失效的处理提供了成功范例。