机械传动装置基础件失效分析

（1）本书失效分析的对象集中在机械传动（齿轮传动、蜗杆传动等）装置基础件（齿轮、轴、轴承和紧固件等）的范围内，不涉及其他的零部件，是机械传动专业的失效分析专著。

（2）各零部件的失效分析内容可分为零部件失效分析基础知识和失效分析实例。失效分析基础知识，主要围绕机械传动基础件失效分析来论述，因此能够以较小的篇幅阐明机械传动失效分析需要的基础知识。

（3）本书中精选的28个失效分析典型案例都是作者处理过的一手资料。

（4）本书中的失效分析案例很重视背景材料的论述，因为机械零部件的失效与服役背景有很大的关系。

（5）本书精选的案例中，有些是机械传动失效的“常见病”、“多发病”，有些确是失效分析的“疑难杂症”，本书中也包含了这部分的内容，以便扩大眼界，引发读者深入探讨的兴趣。

（6）本书某些案例的研究和分析不但解决了生产中的实际问题，而且具有一定的学术深度。

缘起

产品的失效分析，在20世纪70 年代就由国外引入国内，但在计划经济的条件下，产品失效分析的研究和应用并没有得到充分的重视。产品失效分析工作真正得到重视和开展是在改革开放以后，尤其是最近30年发展得很快：不少院校开设了有关产品失效分析的课程，尤其开展失效分析和预防方面的科学研究；在市场经济条件下，许多产品制造单位为了提高产品的质量，开始重视产品的失效分析。有了这样的条件，20多年来本人才能有机会为机械传动装置生产单位处理60多个机械传动装置失效分析案例和接受很多失效案例的咨询。其中大多数案例，失效分析是为了找到产品失效的原因，提出改进措施，提高产品的质量；而有的失效分析案例是为索赔、仲裁提供根据。例如，本书中的一个案例涉及向国外公司索赔1000多万元，最终索赔成功。在多年的失效分析工作中，对一些疑难的案例进行了深入分析研究，既解决了生产中的实际问题，又积累了大量失效分析的资料和经验。根据这些案例的分析资料，写成失效分析讲稿，在国内30多个单位（主要面向工厂、企业）举办失效分析专题讲座。本书就是依据长期失效分析工作的经验和已有的讲稿，精选案例撰写的。

本书的内容

本书的内容共分6章：第1章和第2章是机械产品失效分析的基础知识；第3章是轴的失效分析；第4章是齿轮的失效分析；第5 章是轴承的失效分析；第6章是螺纹紧固件和花键的失效分析。

本书的特色

（1）本书失效分析的对象集中在机械传动（齿轮传动、蜗杆传动等）装置基础件（齿轮、轴、轴承和紧固件等），不涉及其他的零部件。这与其他失效分析著作有很大的不同，可以说是机械传动装置失效分析的专著。

（2）各零部件的失效分析内容可分为失效分析基础知识和失效分析实例两大部分。失效分析基础知识主要围绕机械传动装置基础件失效分析来论述，因此能够以较小的篇幅阐明需要的基础知识。

（3）本书中精选的28个失效分析典型案例（轴10个案例、齿轮10个案例、轴承4个案例，其他4个案例），都是作者亲自处理过的，且为第一手资料，全书未选用其他著作和参考文献上的案例。

（4）本书中的失效分析案例很重视背景材料的论述，因为机械零部件的失效与服役背景有很大的关系，例如，本书中的一个扭转微动多冲疲劳失效案例，就是在详细研究了服役背景后得出结论。这种案例往往具有挑战性。

（5）本书精选的案例中，有些是机械传动装置失效的“常见病”“多发病”，如轴的一般性断裂、轮齿齿面的点蚀等，失效分析工作通常比较顺利。但是有时也会遇到失效分析的“疑难杂症”，如上述的扭转微动多冲疲劳失效，至今已知其失效的原因，但不知其失效的机理。再如断口分析中遇到的裂纹动力学和瓦纳线问题等，本书中也包含了这部分的内容，以便扩大眼界，引发读者深入探讨的兴趣。

（6）本书某些案例的研究和分析不但解决了生产中的实际问题，而且具有一定的学术深度，例如，齿轮的电蚀失效案例就是与重庆大学机械传动国家实验室合作的，成功申请了国家自然科学基金，还为两名博士生提供了论文选题。

（7）本人编写的失效分析PPT讲稿是本书主要的参考依据，因此本书的行文、自绘的插图等都具有PPT讲稿的特色。

合作、鸣谢

众所周知，产品的失效分析涉及的面很宽，往往工作量很大，因此有时需要多人合作才能完成。本人借此机会向本书中案例的失效分析合作者和参与者（钟群鹏、王仁智、钟培道、钱友荣、王铁、张瑞亮、边新孝、罗铭、潘紫微等）表示衷心的感谢！本书的写作得到了沃德传动（天津）股份有限公司的大力支持。公司负责人胡炜先生十分重视产品的质量和产品的失效分析，在公司内成立失效分析小组，对国内外数百台失效的减速机（其中很大部分是国外品牌产品）开展深入细致的失效分析工作，并参与失效分析报告的撰写。7年内，失效分析小组共撰写了40多篇失效分析报告（有12篇入选本书），发表了10多篇失效分析论文，为提高减速机产品的质量和高端减速机产品国产化提供了技术支持。在本书的写作中，胡炜先生大力促成失效分析小组成员给予全力的技术支持和协助。借此机会，对本书合著者胡炜先生、沃德失效分析小组成员和其他有关人员：薄文丽、李东武、孙洪利、马爱侠、王永慧、冯胜利等表示衷心的感谢！同时也对中航工业失效分析中心的相关人员刘德林、刘洲、张兵和北京科技大学机械工程实验室的相关人员崔兴山、史铁军表示衷心的感谢！

中国工程院院士胡正寰教授在百忙之中，看了全部书稿，并为本书写序言，对此表示衷心的感谢！

本书预期读者

本书适合以下人员参阅：从事机械传动装置设计、制造、使用、维护的工程技术人员；质量管理和现场失效分析人员；从事材料和热处理工作的技术人员；高等院校机械设计与制造专业的师生等。

本书大部分案例的失效分析工作都是在工厂里完成的，受限于条件和技术水平，有一些图片的质量（如取景的角度、视距、清晰度等）不能令人满意。在个别案例中，金相组织分析方面也可能有不够深入之处。总之，由于本人的水平有限，书中疏漏之处在所难免，欢迎读者不吝批评、指正。

北京科技大学教授 朱孝禄

第1章机件失效分析概述
Chapter1 Overview of Machine Elements Failure Analysis
1．1失效分析的目的002
1．2003机件失效的分类
1．3失效分析的步骤004
1．3．1失效现场调查和收集背景资料005
1．3．2失效机件的初步检查006
1．3．3实验室试验工作006
1．3．4确定失效类型和失效原因007
1．3．5检查试验和分析得来的证据是否充分完整008
1．3．6完成失效分析报告009
1．4失效分析的观察和试验010
1．4．1裂纹观察010
1．4．2宏观断口观察012
1．4．3微观断口观察与分析018
1．4．4断口分析在机件失效分析中的作用019
1．4．5化学成分分析020
1．4．6材料力学性能试验020
1．4．7金相检验022

第2章机件失效类型的特征
Chapter2 Characteristics of Machine Elements Failure Types
2．1过量变形失效025
2．2塑性断裂和脆性断裂026
2．2．1 塑性断裂的基本特征027
2．2．2韧性脆性转变030
2．2．3脆性断裂的基本特征和分类030
2．2．4氢脆断裂031
2．3疲劳断裂032
2．3．1疲劳裂纹形成和扩展的规律033
2．3．2疲劳失效分析的目标和方法036
2．3．3设计、制造工艺和材质对疲劳失效的影响039
2．4磨损失效041
2．4．1黏着磨损041
2．4．2磨料磨损042
2．4．3微动磨损和微动磨蚀疲劳043
2．4．4磨损失效分析的方法046
2．5胶合失效047

第3章轴的失效分析
Chapter3 Failure Analysis of the Shafts
3．1轴失效分析基本知识050
3．1．1概述050
3．1．2轴上的应力和断裂特征051
3．1．3轴的失效形式052
3．1．4疲劳失效中的局部应力057
3．1．5轴失效分析的程序063
3．2轴的失效分析实例064
3．2．1实例1高速线材预精轧机辊轴断裂失效分析064
3．2．2实例2减速机形面轴断裂失效分析068
3．2．3实例3减速机锥齿轮轴开裂失效分析083
3．2．4实例4压缩机高速齿轮轴断裂失效分析087
3．2．5实例5轴毂配合件的微动磨损引发轴的开裂失效分析102
3．2．6实例6减速机轴微动多冲疲劳断裂失效分析115
3．2．7实例7硬齿面齿轮减速机高速轴断裂失效分析124
3．2．8实例8风力发电机组主轴断裂失效分析138
3．2．9实例9曲轴断裂失效分析147
3．2．10实例10制氧厂离心压缩机断轴毁机失效分析152

第4章齿轮的失效分析
Chapter4 Failure Analysis of the Gears
4．1齿轮损伤和失效的形式175
4．2轮齿损伤和失效的形貌176
4．2．1磨料磨损和过度磨损失效176
4．2．2干涉磨损失效177
4．2．3胶合失效179
4．2．4齿面疲劳失效180
4．2．5轮齿折断失效189
4．2．6电蚀失效196
4．2．7塑性变形失效198
4．2．8化学腐蚀失效199
4．2．9齿轮裂纹失效199
4．2．10齿面烧伤失效201
4．2．11轮毂断裂失效204
4．3诱发轮齿损伤和失效的主要原因205
4．3．1设计方面的失误205
4．3．2材料和热加工方面的失误206
4．3．3机械加工方面的失误207
4．3．4装配方面的失误208
4．3．5使用和维护方面的失误208
4．4齿轮失效分析方法中的注意事项208
4．4．1齿轮失效的背景调查208
4．4．2失效齿轮的宏观观察210
4．4．3失效齿轮断口的微观观察211
4．4．4失效齿轮的承载能力计算复核213
4．5齿轮失效分析实例217
4．5．1实例1型钢轧机减速机齿轮齿面剥落原因分析217
4．5．2实例2高速线材厂精轧机增速箱齿轮损伤分析225
4．5．3实例3发电厂液力偶合器传动齿轮失效分析232
4．5．4实例4减速机锥齿轮齿面电蚀失效分析240
4．5．5实例5不同来料齿轮热处理后开裂失效分析252
4．5．6实例6制冷压缩机高速齿轮轮齿断裂失效分析258
4．5．7实例7高速线材厂预精轧机过桥齿轮断齿失效分析279
4．5．8实例8弧齿锥齿轮热处理裂纹成因分析和改进措施285
4．5．9实例9矿用减速机低速级齿轮轮齿断裂失效分析290
4．5．10实例10电梯用蜗杆减速机蜗轮磨损失效分析298

第5章轴承的失效分析
Chapter5 Failure Analysis of the Bearings
5．1滚动轴承的失效317
5．1．1滚动轴承失效模式的分类317
5．1．2接触疲劳失效317
5．1．3磨损失效319
5．1．4腐蚀失效321
5．1．5电蚀失效322
5．1．6塑性变形失效324
5．1．7断裂与开裂325
5．2套圈滚道面的磨损痕迹（滚迹）327
5．2．1向心轴承滚迹327
5．2．2推力轴承滚迹330
5．3影响轴承寿命的因素331
5．3．1轴承的工作游隙对轴承使用寿命的影响331
5．3．2安装精度对轴承使用寿命的影响332
5．3．3润滑油中水分对轴承寿命的影响332
5．3．4润滑添加剂对轴承疲劳寿命的影响332
5．3．5轴承预紧（预载荷）对轴承性能的影响332
5．4滚动轴承失效分析的方法333
5．4．1滚动轴承的调查334
5．4．2了解轴承的工作条件335
5．4．3宏观观察与测量337
5．4．4材料内在质量检查337
5．4．5失效表面和断口的微观观察338
5．4．6轴承的寿命复核338
5．4．7综合分析与结论339
5．5轴承失效分析实例339
5．5．1实例1高速线材精轧机滚动轴承失效分析339
5．5．2实例2高速线材精轧机增速箱齿轮损伤和轴承失效分析358
5．5．3实例3减速机滚动轴承高温抱轴失效分析377
5．5．4实例4变速行星齿轮传动机滑动轴承失效分析395

第6章螺纹紧固件和花键的失效分析
Chapter6 Failure Analysis of Thread Fasteners and Splines
6．1螺纹紧固件的失效分析400
6．1．1螺纹紧固件概述 400
6．1．2螺纹紧固件的失效与分析409
6．2螺纹紧固件失效分析实例414
6．2．1实例1减速机双头螺柱安装拧紧时断裂失效分析414
6．2．2实例2钢厂楔形导轨用螺钉断裂的失效分析419
6．3花键的失效分析422
6．3．1花键概述422
6．3．2花键的失效模式423
6．4花键的失效分析实例425
6．4．1实例3花键齿过度磨损原因分析和改进措施425
6．4．2实例4掘进机用减速装置花键轴断裂失效分析433

附录
Appendix
附录A复型法454
A．1前言454
A．2复型法的原理和主要操作步骤454
A．3复型法的应用457
附录B风力发电机组主轴断裂宏观断口分析459
B．1前言459
B．2风力机主轴断裂概况459
B．3断口宏观观察460
B．4分析463
B．5后续工作的建议465
附录C讨论——关于裂纹动力学和瓦纳线465
C．1曲轴断口的非正常现象465
C．2裂纹动力学简介466
C．3瓦纳线467
C．4曲轴断口的瓦纳线468
C．5小结470
附录D轴上键槽开裂有限元分析471

参考文献475
Reference