Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder

MA Gen; ZHONG Jiru; GUAN Kaishu

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021

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Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder

Fault Diagnosis and Failure Analysis | 更新时间：2026-05-27

- Failure analysis of input shaft gear of plastic extruder
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 50, Issue 3, Pages: 187-192(2026)
- 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：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.03.021
  CLC： TG115
- Received：10 October 2024，
  
  Published：15 March 2026
- 稿件说明：
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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

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