1 机组概况及存在的问题

某电站锅炉1号磨煤机型号为MG320/580，钢球最大装载量为55 t，最佳装载系数为0.24，转速为18.46 r/min，出力为34.67 t/h，大、小齿轮/减速机传动比为8.33/6.42，小齿轮结构为单轴双排齿，且齿轮与轴为一体。减速器齿轮轴型号为RZD80，材质为40Cr。该磨煤机运行过程中发生异常振动，现场巡检发现磨煤机减速机出现打齿现象。停磨检查，发现减速机齿轮轴小齿轮（双排齿）单排断齿10处。

2 断齿检测及原因分析 2.1 断齿检测 2.1.1 宏观形貌分析

该磨煤机减速器齿轮轴共24齿，其中10齿发生断裂；断口凹凸不平，无明显的宏观塑性变形；断口表面较为洁净，无明显腐蚀物，多数断口表面能观察到明显的海滩状疲劳辉纹。同时，在各齿条的脱落及未脱落部位的齿面均能观察到众多的痘状麻坑，有些麻坑尺寸较深且互相贯通，形成明显的线性开裂缺陷，减速器齿轮轴宏观形貌见图 1，其脱落的齿条及断口分别如图 2、图 3所示。

2.1.2 断口微区分析

对该磨煤机减速器齿轮轴的轮齿断口采用扫描电子显微镜（SEM）进行微区形貌分析，结果显示见图 4。由图 4可见，在近断口的齿条表面存在大量的麻坑，有些麻坑裂纹沿单相扩展并与相邻麻坑贯通，继而形成明显的开裂，这些麻坑贯通形成线性开裂，成为轮齿断裂的裂纹源。在断裂的扩展区，可以观察到明显的海滩状扩展疲劳条带，表现出明显的疲劳断裂特征。同时在扩展区还存在一定程度的沿晶开裂特征，说明轮齿材料的脆性较大，韧性较差^[1]。

2.1.3 化学成分分析

对磨煤机齿轮轴取样进行化学成分分析，各成分质量分数见表 1。

由表 1可以看出，齿轮轴的化学成分中C的质量分数比标准要求高0.02% ^[2]。但按照标准GB/T 222—2006《钢的成品化学成分允许偏差》^[3]要求，齿轮轴的C元素质量分数偏差在标准允许范围内；其他元素含量均符合标准要求。

2.1.4 显微组织分析

在齿轮轴轮齿近断口处取样进行显微组织检测，结果见图 5。由图 5可以看出，轮齿表面及基体的组织以均匀、细小的回火索氏体为主，并伴有少量铁素体组织。同时，组织中存在较为严重的A类（即硫化物类）夹杂物，为细系2.5级。轮齿表面存在大量的坑状缺陷，部分坑状缺陷附近发生碎裂并有自坑状缺陷向基体扩展的众多裂纹^[3-5]。

2.1.5 力学性能分析

对齿轮轴轮齿在20 ℃下进行硬度试验，结果为：齿面洛氏硬度为40.0~45.7，基体洛氏硬度为47.5~47.9。可见齿轮轴轮齿的齿面硬度低于基体硬度，说明轮齿表面未进行过有效的表层硬化处理。

2.2 断裂原因确定

综合以上分析认为，该磨煤机减速器齿轮轴断齿的主要原因为：

（1）齿轮轴的轮齿表面未形成明显的硬化层，使得表面硬度和耐磨蚀能力不足；

（2）材料中夹杂物含量较多，降低了轮齿的强度和韧性，使得轮齿抵抗接触疲劳开裂的能力不足；

（3）齿轮轴在运行过程中轮齿各部位承载不均匀，局部承载较大的接触压应力，致使在运行过程中反复的疲劳载荷作用下，在齿轮轴接触表面形成触疲劳开裂，最终导致断裂。

3 防范建议

通过分析找到了导致断裂的主要原因，对此提出以下防范建议。

（1）严格控制齿轮轴的加工处理工艺，在制造阶段应通过感应热处理等方法提高轮齿表面硬度，以提高其抗接触疲劳的能力；

（2）在机组运行过程中应加强对可增大齿轮轴弯曲载荷各因素的监督，如磨煤机减速器齿轮轴动平衡不均匀。

（3）避免运行过程中因磨煤机负荷的频繁变化而导致载荷异常增大^[6-9]。