塑料挤出机输入轴齿轮失效分析

马根; 钟继如; 关凯书

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

塑料挤出机输入轴齿轮失效分析

故障诊断与失效分析 | 更新时间：2026-05-27

- 塑料挤出机输入轴齿轮失效分析
- Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder
- 机械传动 2026年50卷第3期页码：187-192
- 作者机构：
  
  华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237
- 作者简介：
  
  马根，男，2000年生，湖北宜昌人，硕士；主要研究方向为微试样测试技术、过程设备失效分析与预防；magen2000@163.com。
  关凯书（通信作者），男，1962年生，黑龙江五常人，博士，教授，博士研究生导师；主要研究方向为承压设备结构完整性、微试样测试技术、过程设备失效分析与预防；guankaishu@ecust.edu.cn。
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021
  中图分类号： TG115
- 收稿：2024-10-10，
  
  纸质出版：2026-03-15
- 稿件说明：
移动端阅览
马根，钟继如，关凯书. 塑料挤出机输入轴齿轮失效分析［J］. 机械传动，2026，50（3）：187-192.

MA Gen，ZHONG Jiru，GUAN Kaishu. Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（3）：187-192.
马根，钟继如，关凯书. 塑料挤出机输入轴齿轮失效分析［J］. 机械传动，2026，50（3）：187-192. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021.

MA Gen，ZHONG Jiru，GUAN Kaishu. Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（3）：187-192. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021.

摘要

目的

针对某型号塑料挤出机输入轴高速挡离合器齿轮发生多齿断裂的问题，探究其失效机制，明确断裂原因，为齿轮结构改进与寿命提升提供依据。

方法

首先，通过宏观断口形貌分析与扫描电镜表征，观察断口疲劳台阶、疲劳辉纹及齿面塑性挤压/滑移痕迹，初步判定失效形式；其次，开展化学成分检测与硬度测试，验证齿轮材料的成分合规性，测试齿面与芯部硬度以判断是否经表面强化处理；然后，采用有限元法建立齿轮副模型，模拟正常配合、中心线不平行及中心线不对中3种工况，分析齿根应力分布规律，重点量化中心线不对中对齿根应力幅值的影响；最后，进行轴系弯曲刚度校核，通过计算轴的当量直径、惯性矩及齿轮处挠度，验证轴刚度不足对齿轮副中心线对中性的影响。

结果

齿轮失效形式为疲劳断裂，断口可见明显疲劳辉纹与疲劳源区；轴弯曲刚度不足导致齿轮处轴挠度超过许用挠度，引发齿轮副中心线不对中；平动自由度

方向0.01 mm位移时，内、外齿轮齿根应力幅值分别达62.66、62.72 MPa，加速了疲劳裂纹萌生与扩展；齿轮表面未进行渗碳等强化处理，进一步降低了抗疲劳性能。

Abstract

Objective

Aiming at the multi-tooth fracture problem of the high-speed clutch gear on the input shaft of a certain type of plastic extruder

the failure mechanism was explored

the fracture cause was clarified

and a basis was provided for gear structure improvement and service life enhancement.

Methods

Firstly

through macroscopic fracture morphology analysis and scanning electron microscope (SEM) characterization

the fatigue steps

fatigue striations on the fracture

and plastic extrusion/slip marks on the tooth surface were observed

and the failure mode was initially determined. Secondly

chemical composition detection and hardness testing were carried out to verify the compliance of the gear material composition

and the hardness of the tooth surface and core was tested to determine whether surface strengthening treatment had been performed. Then

the finite element method was used to establish a gear pair model

and three working conditions (normal fit

non-parallel centerlines

and misaligned centerlines) were simulated to analyze the stress distribution law of the tooth root

with emphasis on quantifying the influence of centerline misalignment on the tooth root stress amplitude. Finally

the bending stiffness check of the shafting was conducted

and the influence of insufficient shaft stiffness on the alignment of the gear pair centerlines was verified by calculating the equivalent diameter

moment of inertia of the shaft

and deflection at the gear.

Results

The gear failure mode is fatigue fracture

with obvious fatigue striations and fatigue source areas visible on the fracture. Insufficient bending stiffness of the shaft causes the shaft deflection at the gear to exceed the allowable deflection

leading to misalignment of the gear pair centerlines. When the displacement in the

direction of the translational degree-of-freedom is 0.01 mm

the stress amplitudes at the tooth roots of the internal and external gears reache 62.66 MPa and 62.72 MPa respectively

which accelerate the initiation and propagation of fatigue cracks. No strengthening treatment such as carburizing is performed on the gear surface

which further reduce the fatigue resistance.

关键词

Keywords

references

张还 . 基于PLC和智能温控表的塑料挤出机温度控制系统设计［J］. 工程塑料应用， 2010 ， 38 （ 1 ）： 76 - 79 .

ZHANG Huan . Design of temperature control system of plastic extruder based on PLC and smart thermostat ［J］. Engineering Plastics Application ， 2010 ， 38 （ 1 ）： 76 - 79 .

龚成龙，刘永强，田锦明，等 . 塑料成型挤出机现场总线控制系统［J］. 仪表技术与传感器， 2009 （ 12 ）： 61 - 63 .

GONG Chenglong ， LIU Yongqiang ， TIAN Jinming ， et al . Fieldbus control system of plastic profile extruder ［J］. Instrument Technique and Sensor ， 2009 （ 12 ）： 61 - 63 .

闫兵，马琰 . 单螺杆挤出机温度时变性与非线性控制的解决方法［J］. 计算机测量与控制， 2014 ， 22 （ 4 ）： 1076 - 1078 .

YAN Bing ， MA Yan . Single screw extruder temperature time-varying and non-linear control solution ［J］. Computer Measurement & Control ， 2014 ， 22 （ 4 ）： 1076 - 1078 .

王莉，张宏 . 基于PLC的塑料挤出机控制系统设计［J］. 合成树脂及塑料， 2020 ， 37 （ 2 ）： 59 - 62 .

WANG Li ， ZHANG Hong . Design of a control system for plastic extruder based on PLC ［J］. Synthetic Resin and Plastics ， 2020 ， 37 （ 2 ）： 59 - 62 .

孟锦涛，国海，王磊，等 . 基于GA优化的模糊PID塑料挤出机温度控制系统设计［J］. 工程塑料应用， 2023 ， 51 （ 4 ）： 84 - 90 .

MENG Jintao ， GUO Hai ， WANG Lei ， et al . Design of fuzzy PID temperature control system for plastic extruder based on GA optimization ［J］. Engineering Plastics Application ， 2023 ， 51 （ 4 ）： 84 - 90 .

陈郧，皇百红 . 齿轮用渗碳钢弯曲疲劳试验浅析［J］. 汽车工艺与材料， 2017 （ 11 ）： 67 - 72 .

CHEN Yun ， HUANG Baihong . Analysis on bending fatigue test of carburized steel for gear ［J］. Automobile Technology & Material ， 2017 （ 11 ）： 67 - 72 .

PENG X Q ， LIU G ， WU L Y ， et al . A stochastic finite element method for fatigue reliability analysis of gear teeth subjected to bending ［J］. Computational Mechanics ， 1998 ， 21 （ 3 ）： 253 - 261 .

袁洁，纪宏超，宋昌哲，等 . 齿轮疲劳裂纹萌生与扩展行为研究现状［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 5 ）： 167 - 176 .

YUAN Jie ， JI Hongchao ， SONG Changzhe ， et al . Research status of initiation and expansion behavior of gear fatigue cracks ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 167 - 176 .

任艳艳，王亚强 . 风机齿轮箱太阳轮花键失效分析研究［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 11 ）： 117 - 122 .

REN Yanyan ， WANG Yaqiang . Failure analysis of sun gear splines in fan gearboxes ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 117 - 122 .

郭鹏辉，刘世军，徐文博，等 . 造粒机组主齿轮箱输出齿轮轴断裂失效分析［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 9 ）： 151 - 159 .

GUO Penghui ， LIU Shijun ， XU Wenbo ， et al . Fracture failure analysis of the output gear shaft for a granulator main gearbox ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 151 - 159 .

GUAGLIANO M ， RIVA E ， GUIDETTI M . Contact fatigue failure analysis of shot-peened gears ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2002 ， 9 （ 2 ）： 147 - 158 .

卿光辉 . 飞机结构疲劳与断裂［M］. 北京：中国民航出版社， 2015 ： 21 - 39 .

QING Guanghui . Fatigue and fracture of aircraft structures ［M］. Beijing ： China Civil Aviation Press ， 2015 ： 21 - 39 .

全国钢标准化技术委员会 . 合金结构钢： GB/T 3077—2015 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2015 ： 3 - 11 .

National Technical Committee of Steel Standardization . Alloy structure steels ： GB/T 3077—2015 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2015 ： 3 - 11 .

全国钢标准化技术委员会 . 金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法： GB/T 4340.1—2009 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2009 ： 134 - 139 .

National Technical Committee of Steel Standardization . Metallic materials—Vickers hardness test—part 1：test method ： GB/T 4340.1—2009 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2009 ： 134 - 139 .

赵紫荆 . 行星齿轮-轴承过盈配合面微动疲劳研究［D］. 重庆：重庆交通大学， 2023 ： 1 - 2 .

ZHAO Zijin . Research on fretting fatigue of planetary gear-bearing interference fit surface ［D］. Chongqing ： Chongqing Jiaotong University ， 2023 ： 1 - 2 .

陈治，李宝奎，卢金生，等 . 渗氮处理在重载齿轮上的应用进展［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 3 ）： 104 - 111 .

CHEN Zhi ， LI Baokui ， LU Jinsheng ， et al . Application and process of nitriding treatment in heavyduty gears ［J］. Journal of Metal Heat Treatment ， 2023 ， 48 （ 3 ）： 104 - 111 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

液压泵传动轴断裂失效分析

基于多参数优化降低齿轮弯曲应力方法研究

风电机组增速齿轮箱第三级大齿轮失效分析

基于动态传递误差的齿轮故障诊断动力学响应研究

旋转对称重数对齿轮拓扑优化的影响