探析齿轮电蚀失效及其成因

电蚀（Electric erosion）：由于齿轮轮齿啮合齿面间放射出的电弧或电火花的作用，在齿轮齿面上形成的许多边缘光滑的小弧坑。齿面上有时出现较大面积的灼伤，其边缘呈现出回火色，这就是电蚀。

目前，世界各国均缺乏对齿轮电蚀这一重要的齿轮失效形式的深入研究。但一个接一个的电蚀事故，迫使人们必须重视这一方面。表8-5是国内近年来的一些典型电蚀失效的案例。

表8-5 国内齿轮电蚀事故统计表

电蚀常发生于多个齿面，甚至全部轮齿上。齿面呈现大量均匀分布的微小蚀坑，偶而也有较大的电火花烧伤坑。电蚀坑形貌光滑，有熔融状放电痕迹，坑点边缘有退火色。现以马鞍山第二发电厂齿轮电蚀失效为例作一分析。

（1）现场调研

1）失效过程。马鞍山第二发电厂2×300MW机组的液力偶合器FK5D32电动给水泵组的R16-550液力偶合器是奥地利VOITH公司制造的。1995年11月13日机组投入运行648h后，偶合器油泵齿轮完全失效；齿轮更换后运行624h，也完全失效；把同类型齿轮再次更换，开始运行情况正常，运行100h后，拆开视孔盖检查，发现齿轮仍有磨损情况（约0.2～0.3mm），现以这对齿轮作为失效分析对象。

2）齿轮参数及材料。齿轮传递功率P=0.7kW，大轮为主动轮的转速n₁=1490r/min，小轮为从动轮的转速n₂=2947r/min，大、小齿轮均为硬齿面，渗碳淬火、磨齿齿面硬度均为60HRC。液力偶合器齿轮箱采用20#透平油喷油润滑。

表8-6 电蚀失效齿轮几何参与材料表

（2）失效分析

1）齿轮宏观形貌。图8-4是用万能显微镜测量某轮齿廓，图左部为被磨损部分，齿根上部有一凸台，被磨损部分磨损量并不一致，齿轮节线偏上部有一凸线，图右下部为非工作面。

2）齿轮表面硬度与轮齿断面分层。用线切割机将小齿轮的五颗轮齿切下来作为试样1～试样5，同时用钢锯锯下三颗齿作参考试样。由于维氏硬度测量的硬度值较为精确，而布氏硬度要求实验力和压头直径之间要受规定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端，故采用维氏硬度。用腐蚀剂将电蚀表面断面进行腐蚀，通过实验可以得出：电蚀表层包括再铸层（白层）、热影响层。白层可以细分为松散层、急冷层、冷却层与淬火层，如图8-5和图8-6所示。

图8-4 某轮齿测量图

图8-5 齿轮电蚀表面变化层断面图解

图8-6 齿轮电蚀照片

在齿面上每隔0.1mm取一点，如图8-5所示。图8-7为线切割面硬度图，图8-8为轮齿电蚀面硬度图。轮齿表面硬度均匀，可见齿面未有损伤。经换算，齿轮工作表面平均硬度为58HRC，与提供值差不多。

图8-7 线切割面断面硬度图

图8-8 轮齿电蚀面断面硬度图

3）齿轮表面粗糙度。用表面电动轮廓仪测量轮齿的表面粗糙度，测量值为表8-7所示。

表8-7 齿轮轮齿表面粗糙度

4）金相检测。利用已经制好的轮齿试样，同时制备电火花试样进行对比实验。图8-9中间白色部分即为凸缘，左部为电蚀部，右部则可见机加工痕迹。图8-10为典型的电蚀形貌（表面融熔形貌）。图8-11则可清晰地见表电蚀坑。图8-12为精规准的电火花加工表面。由图可见，电蚀表面与精规准电火花表面相似。

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图8-9 轮齿放大图（×40）

图8-10 轮齿电蚀表面（×400）

图8-11 轮齿电蚀表面（×300）

图8-12 电火花表面（精规准，×100）

5）油膜厚度计算。按道森公式（D.Dowson公式）计算齿轮啮合运转的最小油膜厚度为

膜厚比，齿面不可能产生胶合与粘着磨损。

6）油膜击穿电压。由于渐开线齿轮啮合是线接触，即两共轭齿轮齿面被油膜隔开，齿面间的电场可以看成一均匀电场。齿轮之间的润滑油本身都是很好的绝缘体，但在较强的电场作用下，啮合齿面之间发生尖峰放电，油膜被击穿。液体电介质被击穿的机理很复杂，液体电介质击穿电压是指击穿液体使其丧失绝缘性能，并在阴阳两电极之间形成放电通道，产生火花放电的瞬时电压，击穿与放电时间都非常短暂，以纳秒计。

均匀电场中，击穿电压U是油膜被击穿时电场强度和油膜厚度的积，但要考虑到以下几个方面：①从微观上看，齿面之间的接触是尖峰接触，放电形式是针—针，而不是板—板。研究结果表明，针—针放电比板—板放电击穿电压低30%左右，针—板放电更低。②润滑油中的杂质（金属颗粒、电蚀产物、气泡、水珠等）使电场发生畸变，击穿电压是均匀电场的1/3。

击穿电压可以用以下公式估算：

U=C₁E_kph_min/3

式中 C₁——放电形式系数，板—板放电时取1，针—板放电时取50%，针—针放电时取70%；

E_kp——润滑油的抗电强度，20#透平油的E_kp约为5×10⁴V/cm。

按针—针放电形式计算，可以估算出击穿电压约为U=6.0517V。

7）电动机检测及轴电流检测。经检查，电动机两端存在轴电压。而电动机的轴电压由自身电场唯一确定，产生的原因主要是设计、制造、安装和调试误差。

经检查，前置泵、电动机、弹性联轴器、偶合器和给水泵形成了闭合回路。

图8-13为用真空管电压表测量的电动机轴电压波形，轴电压平均值为7V，轴电压波形内含有不同的频率与成分，轴电压峰值能达到几十V，满足击穿电压。

图8-13 轴电压波形

（3）结论

1）齿轮电蚀是由电动机轴电压造成。

2）齿轮电蚀表面宏观形貌有明显的电蚀坑。

3）齿轮电蚀表面微观形貌主要是云形花样，同精规准电火花加工形貌相似。

4）齿轮电蚀其实就是作为电介质的油膜被轴电压击穿的过程。

为此，事先作好思想准备，对有关电设备或可能通过杂散电流的齿轮装置进行严格绝缘。适当地安置接地线。