機械傳動裝置基礎件失效分析（簡體書）

緣起

產品的失效分析，在20世紀70 年代就由國外引入國內，但在計劃經濟的條件下，產品失效分析的研究和應用並沒有得到充分的重視。產品失效分析工作真正得到重視和開展是在改革開放以後，尤其是最近30年發展得很快：不少院校開設了有關產品失效分析的課程，尤其開展失效分析和預防方面的科學研究；在市場經濟條件下，許多產品製造單位為了提高產品的質量，開始重視產品的失效分析。有了這樣的條件，20多年來本人才能有機會為機械傳動裝置生產單位處理60多個機械傳動裝置失效分析案例和接受很多失效案例的咨詢。其中大多數案例，失效分析是為了找到產品失效的原因，提出改進措施，提高產品的質量；而有的失效分析案例是為索賠、仲裁提供根據。例如，本書中的一個案例涉及向國外公司索賠1000多萬元，最終索賠成功。在多年的失效分析工作中，對一些疑難的案例進行了深入分析研究，既解決了生產中的實際問題，又積累了大量失效分析的資料和經驗。根據這些案例的分析資料，寫成失效分析講稿，在國內30多個單位（主要面向工廠、企業）舉辦失效分析專題講座。本書就是依據長期失效分析工作的經驗和已有的講稿，精選案例撰寫的。

本書的內容

本書的內容共分6章：第1章和第2章是機械產品失效分析的基礎知識；第3章是軸的失效分析；第4章是齒輪的失效分析；第5 章是軸承的失效分析；第6章是螺紋緊固件和花鍵的失效分析。

本書的特色

（1）本書失效分析的物件集中在機械傳動（齒輪傳動、蝸桿傳動等）裝置基礎件（齒輪、軸、軸承和緊固件等），不涉及其他的零部件。這與其他失效分析著作有很大的不同，可以說是機械傳動裝置失效分析的專著。

（2）各零部件的失效分析內容可分為失效分析基礎知識和失效分析實例兩大部分。失效分析基礎知識主要圍繞機械傳動裝置基礎件失效分析來論述，因此能夠以較小的篇幅闡明需要的基礎知識。

（3）本書中精選的28個失效分析典型案例（軸10個案例、齒輪10個案例、軸承4個案例，其他4個案例），都是作者親自處理過的，且為第一手資料，全書未選用其他著作和參考文獻上的案例。

（4）本書中的失效分析案例很重視背景材料的論述，因為機械零部件的失效與服役背景有很大的關係，例如，本書中的一個扭轉微動多衝疲勞失效案例，就是在詳細研究了服役背景後得出結論。這種案例往往具有挑戰性。

（5）本書精選的案例中，有些是機械傳動裝置失效的“常見病”“多發病”，如軸的一般性斷裂、輪齒齒面的點蝕等，失效分析工作通常比較順利。但是有時也會遇到失效分析的“疑難雜症”，如上述的扭轉微動多衝疲勞失效，至今已知其失效的原因，但不知其失效的機理。再如斷口分析中遇到的裂紋動力學和瓦納線問題等，本書中也包含了這部分的內容，以便擴大眼界，引發讀者深入探討的興趣。

（6）本書某些案例的研究和分析不但解決了生產中的實際問題，而且具有一定的學術深度，例如，齒輪的電蝕失效案例就是與重慶大學機械傳動國家實驗室合作的，成功申請了國家自然科學基金，還為兩名博士生提供了論文選題。

（7）本人編寫的失效分析PPT講稿是本書主要的參考依據，因此本書的行文、自繪的插圖等都具有PPT講稿的特色。

合作、鳴謝

眾所周知，產品的失效分析涉及的面很寬，往往工作量很大，因此有時需要多人合作才能完成。本人借此機會向本書中案例的失效分析合作者和參與者（鐘群鵬、王仁智、鐘培道、錢友榮、王鐵、張瑞亮、邊新孝、羅銘、潘紫微等）表示衷心的感謝！本書的寫作得到了沃德傳動（天津）股份有限公司的大力支持。公司負責人胡煒先生十分重視產品的質量和產品的失效分析，在公司內成立失效分析小組，對國內外數百臺失效的減速機（其中很大部分是國外品牌產品）開展深入細致的失效分析工作，並參與失效分析報告的撰寫。7年內，失效分析小組共撰寫了40多篇失效分析報告（有12篇入選本書），發表了10多篇失效分析論文，為提高減速機產品的質量和高端減速機產品國產化提供了技術支持。在本書的寫作中，胡煒先生大力促成失效分析小組成員給予全力的技術支持和協助。借此機會，對本書合著者胡煒先生、沃德失效分析小組成員和其他有關人員：薄文麗、李東武、孫洪利、馬愛俠、王永慧、馮勝利等表示衷心的感謝！同時也對中航工業失效分析中心的相關人員劉德林、劉洲、張兵和北京科技大學機械工程實驗室的相關人員崔興山、史鐵軍表示衷心的感謝！

中國工程院院士胡正寰教授在百忙之中，看了全部書稿，並為本書寫序言，對此表示衷心的感謝！

本書預期讀者

本書適合以下人員參閱：從事機械傳動裝置設計、製造、使用、維護的工程技術人員；質量管理和現場失效分析人員；從事材料和熱處理工作的技術人員；高等院校機械設計與製造專業的師生等。

本書大部分案例的失效分析工作都是在工廠裡完成的，受限於條件和技術水平，有一些圖片的質量（如取景的角度、視距、清晰度等）不能令人滿意。在個別案例中，金相組織分析方面也可能有不夠深入之處。總之，由於本人的水平有限，書中疏漏之處在所難免，歡迎讀者不吝批評、指正。

北京科技大學教授 朱孝祿

第1章機件失效分析概述
Chapter1 Overview of Machine Elements Failure Analysis
1．1失效分析的目的002
1．2003機件失效的分類
1．3失效分析的步驟004
1．3．1失效現場調查和收集背景資料005
1．3．2失效機件的初步檢查006
1．3．3實驗室試驗工作006
1．3．4確定失效類型和失效原因007
1．3．5檢查試驗和分析得來的證據是否充分完整008
1．3．6完成失效分析報告009
1．4失效分析的觀察和試驗010
1．4．1裂紋觀察010
1．4．2宏觀斷口觀察012
1．4．3微觀斷口觀察與分析018
1．4．4斷口分析在機件失效分析中的作用019
1．4．5化學成分分析020
1．4．6材料力學性能試驗020
1．4．7金相檢驗022

第2章機件失效類型的特徵
Chapter2 Characteristics of Machine Elements Failure Types
2．1過量變形失效025
2．2塑性斷裂和脆性斷裂026
2．2．1 塑性斷裂的基本特徵027
2．2．2韌性脆性轉變030
2．2．3脆性斷裂的基本特徵和分類030
2．2．4氫脆斷裂031
2．3疲勞斷裂032
2．3．1疲勞裂紋形成和擴展的規律033
2．3．2疲勞失效分析的目標和方法036
2．3．3設計、製造工藝和材質對疲勞失效的影響039
2．4磨損失效041
2．4．1黏著磨損041
2．4．2磨料磨損042
2．4．3微動磨損和微動磨蝕疲勞043
2．4．4磨損失效分析的方法046
2．5膠合失效047

第3章軸的失效分析
Chapter3 Failure Analysis of the Shafts
3．1軸失效分析基本知識050
3．1．1概述050
3．1．2軸上的應力和斷裂特徵051
3．1．3軸的失效形式052
3．1．4疲勞失效中的局部應力057
3．1．5軸失效分析的程序063
3．2軸的失效分析實例064
3．2．1實例1高速線材預精軋機輥軸斷裂失效分析064
3．2．2實例2減速機形面軸斷裂失效分析068
3．2．3實例3減速機錐齒輪軸開裂失效分析083
3．2．4實例4壓縮機高速齒輪軸斷裂失效分析087
3．2．5實例5軸轂配合件的微動磨損引發軸的開裂失效分析102
3．2．6實例6減速機軸微動多衝疲勞斷裂失效分析115
3．2．7實例7硬齒面齒輪減速機高速軸斷裂失效分析124
3．2．8實例8風力發電機組主軸斷裂失效分析138
3．2．9實例9曲軸斷裂失效分析147
3．2．10實例10制氧廠離心壓縮機斷軸毀機失效分析152

第4章齒輪的失效分析
Chapter4 Failure Analysis of the Gears
4．1齒輪損傷和失效的形式175
4．2輪齒損傷和失效的形貌176
4．2．1磨料磨損和過度磨損失效176
4．2．2干涉磨損失效177
4．2．3膠合失效179
4．2．4齒面疲勞失效180
4．2．5輪齒折斷失效189
4．2．6電蝕失效196
4．2．7塑性變形失效198
4．2．8化學腐蝕失效199
4．2．9齒輪裂紋失效199
4．2．10齒面燒傷失效201
4．2．11輪轂斷裂失效204
4．3誘發輪齒損傷和失效的主要原因205
4．3．1設計方面的失誤205
4．3．2材料和熱加工方面的失誤206
4．3．3機械加工方面的失誤207
4．3．4裝配方面的失誤208
4．3．5使用和維護方面的失誤208
4．4齒輪失效分析方法中的注意事項208
4．4．1齒輪失效的背景調查208
4．4．2失效齒輪的宏觀觀察210
4．4．3失效齒輪斷口的微觀觀察211
4．4．4失效齒輪的承載能力計算復核213
4．5齒輪失效分析實例217
4．5．1實例1型鋼軋機減速機齒輪齒面剝落原因分析217
4．5．2實例2高速線材廠精軋機增速箱齒輪損傷分析225
4．5．3實例3發電廠液力偶合器傳動齒輪失效分析232
4．5．4實例4減速機錐齒輪齒面電蝕失效分析240
4．5．5實例5不同來料齒輪熱處理後開裂失效分析252
4．5．6實例6制冷壓縮機高速齒輪輪齒斷裂失效分析258
4．5．7實例7高速線材廠預精軋機過橋齒輪斷齒失效分析279
4．5．8實例8弧齒錐齒輪熱處理裂紋成因分析和改進措施285
4．5．9實例9礦用減速機低速級齒輪輪齒斷裂失效分析290
4．5．10實例10電梯用蝸桿減速機蝸輪磨損失效分析298

第5章軸承的失效分析
Chapter5 Failure Analysis of the Bearings
5．1滾動軸承的失效317
5．1．1滾動軸承失效模式的分類317
5．1．2接觸疲勞失效317
5．1．3磨損失效319
5．1．4腐蝕失效321
5．1．5電蝕失效322
5．1．6塑性變形失效324
5．1．7斷裂與開裂325
5．2套圈滾道面的磨損痕跡（滾跡）327
5．2．1向心軸承滾跡327
5．2．2推力軸承滾跡330
5．3影響軸承壽命的因素331
5．3．1軸承的工作遊隙對軸承使用壽命的影響331
5．3．2安裝精度對軸承使用壽命的影響332
5．3．3潤滑油中水分對軸承壽命的影響332
5．3．4潤滑添加劑對軸承疲勞壽命的影響332
5．3．5軸承預緊（預載荷）對軸承性能的影響332
5．4滾動軸承失效分析的方法333
5．4．1滾動軸承的調查334
5．4．2了解軸承的工作條件335
5．4．3宏觀觀察與測量337
5．4．4材料內在質量檢查337
5．4．5失效表面和斷口的微觀觀察338
5．4．6軸承的壽命復核338
5．4．7綜合分析與結論339
5．5軸承失效分析實例339
5．5．1實例1高速線材精軋機滾動軸承失效分析339
5．5．2實例2高速線材精軋機增速箱齒輪損傷和軸承失效分析358
5．5．3實例3減速機滾動軸承高溫抱軸失效分析377
5．5．4實例4變速行星齒輪傳動機滑動軸承失效分析395

第6章螺紋緊固件和花鍵的失效分析
Chapter6 Failure Analysis of Thread Fasteners and Splines
6．1螺紋緊固件的失效分析400
6．1．1螺紋緊固件概述 400
6．1．2螺紋緊固件的失效與分析409
6．2螺紋緊固件失效分析實例414
6．2．1實例1減速機雙頭螺柱安裝擰緊時斷裂失效分析414
6．2．2實例2鋼廠楔形導軌用螺釘斷裂的失效分析419
6．3花鍵的失效分析422
6．3．1花鍵概述422
6．3．2花鍵的失效模式423
6．4花鍵的失效分析實例425
6．4．1實例3花鍵齒過度磨損原因分析和改進措施425
6．4．2實例4掘進機用減速裝置花鍵軸斷裂失效分析433

附錄
Appendix
附錄A復型法454
A．1前言454
A．2復型法的原理和主要操作步驟454
A．3復型法的應用457
附錄B風力發電機組主軸斷裂宏觀斷口分析459
B．1前言459
B．2風力機主軸斷裂概況459
B．3斷口宏觀觀察460
B．4分析463
B．5後續工作的建議465
附錄C討論——關於裂紋動力學和瓦納線465
C．1曲軸斷口的非正常現象465
C．2裂紋動力學簡介466
C．3瓦納線467
C．4曲軸斷口的瓦納線468
C．5小結470
附錄D軸上鍵槽開裂有限元分析471

參考文獻475
Reference