某化工厂离心压缩机齿轮副发生断裂,造成了严重的经济损失。对失效的离心压缩机齿轮进行失效行为和机理研究,找出事故的根本原因,预防同类事故的发生,对于促进化工企业安全生产具有重要意义。本文的研究对象为离心压缩机的齿轮副,通过材料理化性能分析、应力校核及有限元模拟分析、材料疲劳性能研究和疲劳裂纹扩展研究,综合分析了离心压缩机齿轮断裂失效机理,针对失效原因提出相应的对策措施。本文主要工作内容包括:(1)材料的理化性能检验与分析。对失效齿轮的材料进行理化性能分析,通过断口宏观和微观观察、材料化学成分分析、力学性能分析和金相组织分析发现齿轮的失效形式和材料缺陷。试验结果表明,失效离心压缩机齿轮发生了疲劳断裂,两个失效齿轮的金相组织存在晶粒不均匀问题,齿轮材料的塑性、韧性均不满足标准指标的要求。(2)对齿轮进行疲劳强度校核,包括理论计算校核和ANSYS瞬态动力学模拟。通过强度校核和应力模拟确定齿轮的应力分布及结构的薄弱部位,判断齿轮断裂失效是否是由于应力过高所致。经应力校核分析可知,两个齿轮受到的齿面接触应力和齿根弯曲应力均小于许用应力,符合疲劳设计要求。应力云图表明,齿轮啮合接触区域和齿根过渡圆角处应力水平较高,与齿轮实际断裂部位相符。增大齿根过渡圆角可以降低齿轮齿根的应力集中,增加齿轮的疲劳寿命。(3)齿轮材料的疲劳试验和有限元模拟,重点研究齿轮的疲劳性能。拟合疲劳试验数据得到齿轮材料的疲劳强度极限和S-N曲线表达式,可知齿轮在10%失效概率、95%置信度下的疲劳强度极限为480.31MPa。将S-N曲线导入ANSYS Fatigue Tool对齿轮进行疲劳寿命模拟,模拟结果表明两个齿轮的疲劳寿命与设计疲劳寿命存在显著差别。(4)结合有限元模拟探究齿轮疲劳裂纹扩展的规律和裂纹对齿轮疲劳寿命的影响。齿轮裂纹扩展模拟结果表明载荷对齿轮裂纹扩展速率的影响最显著,在初始微裂纹尺寸一定时,随着载荷增大,裂纹的扩展速率均匀增大。含裂纹齿轮疲劳寿命模拟结果表明,应力水平和裂纹扩展的深度对含裂纹齿轮的疲劳寿命影响最显著。(5)综合材料因素、应力因素、疲劳寿命和裂纹扩展因素综合分析离心压缩机齿轮断裂失效机理,提出了相应的对策措施,以防止类似事故再次发生。本文的研究成果对离心压缩机齿轮的失效机理分析和疲劳设计可提供重要的参考依据。