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摘要：通过无损检测、损伤特征观察、金相组织分析、硬度检测、加工质量、承载能力计算等方法，系统分析了核电厂应急柴油机正时齿轮系损坏的原因。结合同类型应急柴油机正时齿轮系运行情况，结果表明柴油机调试或运行初期异物意外进入正时齿轮系引起啮合接触异常，导致齿轮齿根疲劳开裂，并扩展至齿顶断裂，同时造成齿轮系的其它齿轮二次损伤。
关键词：应急柴油机;正时齿轮;损坏;失效分析
中图分类号：TL3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0129-03
0 引言
應急柴油发电机组是核电厂最重要的专设安全设施之一。其功能是在正常厂用中压母线因为厂外电源丧失或者母线本身故障时，为应急母线提供中压电源以确保反应堆安全停堆、防止重要厂用设备因为厂用电源的丧失而造成的损坏和确保人身安全。
应急柴油机使用的是4冲程12缸引擎，型号为VD45V12，由两排每排6个汽缸组成，汽缸相互之间的角度为50°。柴油机齿轮传动系是柴油机的重要组成部分，包括安装在曲轴上的曲轴齿轮、配气凸轮轴上的凸轮轴齿轮、润滑油泵轴上的润滑油泵齿轮以及冷却水泵轴上的水泵齿轮，见图1所示。正时齿轮传动系的作用是驱动凸轮轴、油泵、冷却水泵等零部件工作。正时齿轮传动系统的运行状态往往直接影响到柴油机能否正常工作。
为查找和分析应急柴油机正时齿轮系损坏的原因，本文对失效齿轮系进行了无损检测、损伤特征观察、金相组织分析、硬度检测、承载能力计算等工作。
1 事件背景
某核电厂应急柴油机试验时，柴油机转速探头突然无显示，随后解体检查发现B列正时齿轮系存在断齿和损伤现象（图2）：①冷却水泵齿轮1个齿变形严重，多个齿面存在异常磨损;②冷却水泵中间齿轮多个齿面有异常磨损，有2个齿可见裂纹;③凸轮轴齿轮2个齿轮存在部分缺失;④B列凸轮轴中间齿轮1个齿面有裂纹。从调试至事件发生时，故障应急柴油机大约运行346小时，启动约246次。该台应急柴油机正时齿轮系曾在机组调试期间由于齿轮轴设计制造问题进行过全面解体。
2 齿轮系肇事件判定
四个失效齿轮的传动顺序为：中间小齿轮→凸轮轴齿轮→水泵中间（过渡）齿轮→水泵（主轴）齿轮，见图3所示，详细的啮合情况见表1。凸轮轴齿轮的1#齿断口宏观存在疲劳弧线，微观可见疲劳条带，其断裂性质为疲劳断裂。中间小齿轮的16#齿裂纹断口和水泵中间齿轮的47#齿裂纹断口源区均为以沿晶为主+韧窝混合断裂特征，这些均是齿面受到挤压时靠近齿根的部位发生了过载开裂。中间小齿轮的16#齿原始裂纹区后期可见明显的疲劳特征，表明该齿面受到挤压发生过载开裂后运转了一段时间，在运转过程中受到交变应力的作用，裂纹发生疲劳扩展。正时齿轮系啮合损伤过程如图4所示，因此，凸轮轴齿轮1#齿首先开裂，为肇事齿，各齿轮齿面上呈规律性分布的磨损较重的痕迹均为凸轮轴齿轮1#齿开裂（断裂）后形成的二次损伤。
3 凸轮轴齿轮1#齿失效原因分析
为了确定凸轮轴齿轮失效的原因，分别从凸轮轴齿轮断口分析、齿轮材质分析、齿轮加工质量分析、承载能力计算以及同类型柴油机齿轮系检查等五个方面开展分析。
3.1 凸轮轴齿轮断口分析
对凸轮轴齿轮进行了磁粉探伤，轮齿上存在摩擦裂纹，见图5，不符合厂家技术规范要求。
在体视显微镜下对1#齿断口进行观察，数得疲劳弧线共计20条，见图6。疲劳起源于轮齿反面（与水泵中间齿轮的传动啮合面）一侧的齿根R处，距端面约7.5mm，1#齿断口可分成Ⅰ-Ⅵ区。Ⅰ区裂纹从齿根R表面起源，呈点源特征，源区磨损较重，未见夹杂等冶金缺陷。
3.2 凸轮轴齿轮材质分析
凸轮轴齿轮化学成分与EN 10086-1998 18NiCr5-4含量相符，其渗碳层及心部均为马氏体组织，金相组织未见异常。采用显微硬度法对齿轮轮齿的有效硬化层深度进行测量，硬度梯度曲线见图7。GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003推荐的齿根弯曲强度有效硬化层最佳深度0.1～0.2mn，齿轮的模数mn=5，则齿根处有效硬化层最佳深度为0.5～1.0mm，测得凸轮轴齿轮1#齿齿根的有效硬化层深度为0.65mm，符合ISO标准要求。
3.3 凸轮轴齿轮加工质量分析
该台柴油机正时齿轮系解体前，齿轮啮合间隙与窜动量，及水泵中间齿轮齿顶晃动量经检查未见异常。
对凸轮轴齿轮齿廓进行计量，见图8所示，未见明显异常。
对凸轮轴齿轮齿廓形状进行观察，见图9所示，齿根R尺寸经测量为1.31mm，符合ISO 53： 1998标准中的A型齿廓（齿根R=0.25mn，即R=1.25mm）。凸轮轴齿轮1#齿齿根R角表面的粗糙度值较相邻齿及其它齿轮较高。
参照GB/T 10095.1-2008中表B.3可知，凸轮轴齿轮的精度等级为5-6级，标准规定，凸轮轴齿轮的接触斑点长度应占齿宽的80%。观察凸轮轴齿轮/水泵中间齿轮，发现有啮合偏载现象，接触痕迹长度占齿宽50%左右。凸轮轴齿轮1#齿裂纹起源于偏载接触痕迹较重侧。 综上，凸轮轴齿轮加工质量与此次齿轮断裂无关，与异常偏载受力有关。
3.4 齿轮承载能力分析
对柴油机正时齿轮系承载能力进行研究分析，按主要失效形式进行必要的校核计算，为齿轮失效分析提供参考依据。参考GB3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度安全系数，见表2;齿轮各载荷系数：动载荷系数、齿宽偏载系数、齿间载荷分配系数，见表3。由此可知，凸轮轴齿轮的接触疲劳强度以及弯曲疲劳强度均符合设计要求。凸轮轴齿轮载荷计算结果表明，齿轮啮合异常，凸轮轴齿轮易发生偏载现象。
3.5 同类型齿轮运行检查情况
根据本次事件的反馈，对核电厂剩下的7台同类型柴油机齿轮系进行检查，未发现同类型问题，且凸轮轴齿轮齿面啮合情况良好。该型号柴油机厂家反馈同类型齿轮运行多年未发生同类型问题。
4 分析与讨论
对应急柴油机正时齿轮系的各齿轮的轮齿啮合损伤进行观察，凸轮轴齿轮1#齿为肇事齿，各齿轮齿面上的损伤痕迹均为凸轮轴齿轮断齿后形成的二次损伤。
凸轮轴齿轮1#齿断口源区未见夹杂等冶金缺陷，也未见较深的刀痕等加工缺陷;1#齿的硬化层及心部的金相组织正常;齿根处的有效硬化层深度符合GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003的要求。
凸轮轴齿轮1#齿断口为典型的疲劳断裂（宏观存在疲劳源区、疲劳扩展区、瞬断区和疲劳弧线;微观可见疲劳条带）。根据齿面的接触痕迹可知，凸轮轴齿轮在断齿前存在明显的偏载现象，造成轮齿内侧的接触应力大于外侧， 1#齿裂纹起源于靠内侧，因此，1#齿裂纹萌生主要与偏载有关。
根据齿轮承载能力计算结果，凸轮轴齿轮/水泵中间齿轮啮合时载荷较小，载荷分布系数和载荷分配系数都很大。
根据上述分析，排除了凸轮轴齿轮材料、设计、制造共模缺陷。结合同类型应急柴油机正时齿轮系啮合检查情况，分析认为，应急柴油机调试或运行初期异物意外进入齿轮非正常啮合，造成凸轮轴齿轮啮合偏载，凸轮轴齿轮齿面内侧接触应力过大，长期运行导致齿根疲劳裂纹及断裂。
5 结论
应急柴油机调试或运行初期异物意外进入正时齿轮系引起非正常啮合，造成凸轮轴齿轮啮合偏载。凸轮轴齿轮在冲击与弯曲载荷共同作用下发生了疲劳断裂，疲劳裂纹产生于啮合面偏载处，最终扩展导致轮齿断裂，又进一步造成齿轮系的其它齿轮二次损伤。
参考文献：
[1]熊小龙，盖文.某型柴油机齿轮故障原因分析[J].柴油机，2019，6：59-61.
[2]GB3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法.成大先. 機械设计手册，第一篇[M].北京：化学工业出版社：2004：143.
[3]朱孝录.齿轮传动设计手册[M].二版.北京：化学工业出版社，2010：143-147.
关键词：应急柴油机;正时齿轮;损坏;失效分析
中图分类号：TL3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0129-03
0 引言
應急柴油发电机组是核电厂最重要的专设安全设施之一。其功能是在正常厂用中压母线因为厂外电源丧失或者母线本身故障时，为应急母线提供中压电源以确保反应堆安全停堆、防止重要厂用设备因为厂用电源的丧失而造成的损坏和确保人身安全。
应急柴油机使用的是4冲程12缸引擎，型号为VD45V12，由两排每排6个汽缸组成，汽缸相互之间的角度为50°。柴油机齿轮传动系是柴油机的重要组成部分，包括安装在曲轴上的曲轴齿轮、配气凸轮轴上的凸轮轴齿轮、润滑油泵轴上的润滑油泵齿轮以及冷却水泵轴上的水泵齿轮，见图1所示。正时齿轮传动系的作用是驱动凸轮轴、油泵、冷却水泵等零部件工作。正时齿轮传动系统的运行状态往往直接影响到柴油机能否正常工作。
为查找和分析应急柴油机正时齿轮系损坏的原因，本文对失效齿轮系进行了无损检测、损伤特征观察、金相组织分析、硬度检测、承载能力计算等工作。
1 事件背景
某核电厂应急柴油机试验时，柴油机转速探头突然无显示，随后解体检查发现B列正时齿轮系存在断齿和损伤现象（图2）：①冷却水泵齿轮1个齿变形严重，多个齿面存在异常磨损;②冷却水泵中间齿轮多个齿面有异常磨损，有2个齿可见裂纹;③凸轮轴齿轮2个齿轮存在部分缺失;④B列凸轮轴中间齿轮1个齿面有裂纹。从调试至事件发生时，故障应急柴油机大约运行346小时，启动约246次。该台应急柴油机正时齿轮系曾在机组调试期间由于齿轮轴设计制造问题进行过全面解体。
2 齿轮系肇事件判定
四个失效齿轮的传动顺序为：中间小齿轮→凸轮轴齿轮→水泵中间（过渡）齿轮→水泵（主轴）齿轮，见图3所示，详细的啮合情况见表1。凸轮轴齿轮的1#齿断口宏观存在疲劳弧线，微观可见疲劳条带，其断裂性质为疲劳断裂。中间小齿轮的16#齿裂纹断口和水泵中间齿轮的47#齿裂纹断口源区均为以沿晶为主+韧窝混合断裂特征，这些均是齿面受到挤压时靠近齿根的部位发生了过载开裂。中间小齿轮的16#齿原始裂纹区后期可见明显的疲劳特征，表明该齿面受到挤压发生过载开裂后运转了一段时间，在运转过程中受到交变应力的作用，裂纹发生疲劳扩展。正时齿轮系啮合损伤过程如图4所示，因此，凸轮轴齿轮1#齿首先开裂，为肇事齿，各齿轮齿面上呈规律性分布的磨损较重的痕迹均为凸轮轴齿轮1#齿开裂（断裂）后形成的二次损伤。
3 凸轮轴齿轮1#齿失效原因分析
为了确定凸轮轴齿轮失效的原因，分别从凸轮轴齿轮断口分析、齿轮材质分析、齿轮加工质量分析、承载能力计算以及同类型柴油机齿轮系检查等五个方面开展分析。
3.1 凸轮轴齿轮断口分析
对凸轮轴齿轮进行了磁粉探伤，轮齿上存在摩擦裂纹，见图5，不符合厂家技术规范要求。
在体视显微镜下对1#齿断口进行观察，数得疲劳弧线共计20条，见图6。疲劳起源于轮齿反面（与水泵中间齿轮的传动啮合面）一侧的齿根R处，距端面约7.5mm，1#齿断口可分成Ⅰ-Ⅵ区。Ⅰ区裂纹从齿根R表面起源，呈点源特征，源区磨损较重，未见夹杂等冶金缺陷。
3.2 凸轮轴齿轮材质分析
凸轮轴齿轮化学成分与EN 10086-1998 18NiCr5-4含量相符，其渗碳层及心部均为马氏体组织，金相组织未见异常。采用显微硬度法对齿轮轮齿的有效硬化层深度进行测量，硬度梯度曲线见图7。GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003推荐的齿根弯曲强度有效硬化层最佳深度0.1～0.2mn，齿轮的模数mn=5，则齿根处有效硬化层最佳深度为0.5～1.0mm，测得凸轮轴齿轮1#齿齿根的有效硬化层深度为0.65mm，符合ISO标准要求。
3.3 凸轮轴齿轮加工质量分析
该台柴油机正时齿轮系解体前，齿轮啮合间隙与窜动量，及水泵中间齿轮齿顶晃动量经检查未见异常。
对凸轮轴齿轮齿廓进行计量，见图8所示，未见明显异常。
对凸轮轴齿轮齿廓形状进行观察，见图9所示，齿根R尺寸经测量为1.31mm，符合ISO 53： 1998标准中的A型齿廓（齿根R=0.25mn，即R=1.25mm）。凸轮轴齿轮1#齿齿根R角表面的粗糙度值较相邻齿及其它齿轮较高。
参照GB/T 10095.1-2008中表B.3可知，凸轮轴齿轮的精度等级为5-6级，标准规定，凸轮轴齿轮的接触斑点长度应占齿宽的80%。观察凸轮轴齿轮/水泵中间齿轮，发现有啮合偏载现象，接触痕迹长度占齿宽50%左右。凸轮轴齿轮1#齿裂纹起源于偏载接触痕迹较重侧。 综上，凸轮轴齿轮加工质量与此次齿轮断裂无关，与异常偏载受力有关。
3.4 齿轮承载能力分析
对柴油机正时齿轮系承载能力进行研究分析，按主要失效形式进行必要的校核计算，为齿轮失效分析提供参考依据。参考GB3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度安全系数，见表2;齿轮各载荷系数：动载荷系数、齿宽偏载系数、齿间载荷分配系数，见表3。由此可知，凸轮轴齿轮的接触疲劳强度以及弯曲疲劳强度均符合设计要求。凸轮轴齿轮载荷计算结果表明，齿轮啮合异常，凸轮轴齿轮易发生偏载现象。
3.5 同类型齿轮运行检查情况
根据本次事件的反馈，对核电厂剩下的7台同类型柴油机齿轮系进行检查，未发现同类型问题，且凸轮轴齿轮齿面啮合情况良好。该型号柴油机厂家反馈同类型齿轮运行多年未发生同类型问题。
4 分析与讨论
对应急柴油机正时齿轮系的各齿轮的轮齿啮合损伤进行观察，凸轮轴齿轮1#齿为肇事齿，各齿轮齿面上的损伤痕迹均为凸轮轴齿轮断齿后形成的二次损伤。
凸轮轴齿轮1#齿断口源区未见夹杂等冶金缺陷，也未见较深的刀痕等加工缺陷;1#齿的硬化层及心部的金相组织正常;齿根处的有效硬化层深度符合GB/T 3480.5-2008/ISO 6336-5：2003的要求。
凸轮轴齿轮1#齿断口为典型的疲劳断裂（宏观存在疲劳源区、疲劳扩展区、瞬断区和疲劳弧线;微观可见疲劳条带）。根据齿面的接触痕迹可知，凸轮轴齿轮在断齿前存在明显的偏载现象，造成轮齿内侧的接触应力大于外侧， 1#齿裂纹起源于靠内侧，因此，1#齿裂纹萌生主要与偏载有关。
根据齿轮承载能力计算结果，凸轮轴齿轮/水泵中间齿轮啮合时载荷较小，载荷分布系数和载荷分配系数都很大。
根据上述分析，排除了凸轮轴齿轮材料、设计、制造共模缺陷。结合同类型应急柴油机正时齿轮系啮合检查情况，分析认为，应急柴油机调试或运行初期异物意外进入齿轮非正常啮合，造成凸轮轴齿轮啮合偏载，凸轮轴齿轮齿面内侧接触应力过大，长期运行导致齿根疲劳裂纹及断裂。
5 结论
应急柴油机调试或运行初期异物意外进入正时齿轮系引起非正常啮合，造成凸轮轴齿轮啮合偏载。凸轮轴齿轮在冲击与弯曲载荷共同作用下发生了疲劳断裂，疲劳裂纹产生于啮合面偏载处，最终扩展导致轮齿断裂，又进一步造成齿轮系的其它齿轮二次损伤。
参考文献：
[1]熊小龙，盖文.某型柴油机齿轮故障原因分析[J].柴油机，2019，6：59-61.
[2]GB3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法.成大先. 機械设计手册，第一篇[M].北京：化学工业出版社：2004：143.
[3]朱孝录.齿轮传动设计手册[M].二版.北京：化学工业出版社，2010：143-147.