蘇發(fā)龍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠,江西 鷹潭 335424)

減速機(jī)高速齒輪軸斷齒及斷軸分析與對(duì)策

蘇發(fā)龍

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠,江西 鷹潭 335424)

本文對(duì)造成減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因進(jìn)行的深入的分析,并結(jié)合實(shí)際的案例提出了幾點(diǎn)具有實(shí)踐意義的對(duì)策.

減速機(jī);高速齒輪;斷軸;斷齒;對(duì)策

減速機(jī)高速齒輪斷軸、斷齒對(duì)于回轉(zhuǎn)窯的正常運(yùn)行具有重要的影響力,因此,想要保證企業(yè)的正常生產(chǎn),提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因及對(duì)策進(jìn)行分析是一個(gè)較為重要的措施.

1 減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸原因分析

1.1 減速機(jī)高速齒輪軸結(jié)構(gòu)方面的原因

通常情況下,減速機(jī)高速齒輪軸最容易發(fā)生斷裂的位置位于軸和軸之間的結(jié)構(gòu)過(guò)渡和連接位置.軸與軸連接的位置通常都處于軸徑變化的范圍,而軸徑最小的位置往往都會(huì)最先發(fā)生斷裂.這是由于該位置軸的截面形狀變化和軸間處的位置一直處于一種相對(duì)垂直的幾何位置關(guān)系,而這種結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致軸和軸的連接位置受到不同的應(yīng)力集中問(wèn)題的影響.總的來(lái)說(shuō),造成減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸的根本原因是受到了外力的影響,集中扭轉(zhuǎn)力造成的齒輪軸斷裂和斷軸只是其中較為常見(jiàn)的一種.除了軸與軸的連接位置外,齒輪軸的鍵槽位置也是誘發(fā)齒輪軸斷齒、斷軸的重要原因之一.其主要原因在于軸的受力大小和軸的半徑尺寸是反比例關(guān)系,因此,軸的軸徑越小、齒輪軸受到的外部應(yīng)力也就越大.而齒輪軸鍵槽根部位置是恰好是軸徑最小的部位,因此,在齒輪軸鍵槽根部位置受到的外部應(yīng)力較其它部位都要更大.而一旦外部應(yīng)力超過(guò)齒輪軸鍵槽位置的承載能力,便會(huì)出現(xiàn)斷裂.另外,軸齒輪鍵槽位置還需要進(jìn)行嚴(yán)格的熱工藝處理.然而在實(shí)際中許多供應(yīng)商為了降低生產(chǎn)成本,在對(duì)部分產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中,并沒(méi)有進(jìn)行良好的熱工藝處理.而一旦沒(méi)有進(jìn)行熱工藝處理將會(huì)導(dǎo)致齒輪軸鍵槽部位出現(xiàn)應(yīng)力疲勞,進(jìn)而導(dǎo)致軸齒輪產(chǎn)生斷裂.對(duì)于減速機(jī)來(lái)說(shuō),齒輪軸產(chǎn)生斷裂無(wú)疑會(huì)對(duì)減速機(jī)的正常使用造成影響.

1.2 齒輪軸采用的材質(zhì)不符合設(shè)計(jì)要求

齒輪軸對(duì)于減速機(jī)的正常運(yùn)行具有重要的作用,因此,齒輪軸的材質(zhì)必須要符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求.但在實(shí)際中,很多時(shí)候齒輪軸采用的材質(zhì)都沒(méi)有遵照設(shè)計(jì)圖紙的要求.以至于在實(shí)際中齒輪軸對(duì)外部應(yīng)力的承受能力有所下降.因此,在這種情況下,即便是在正常的運(yùn)行狀態(tài)下,齒輪軸也有可能發(fā)生斷裂.鑒于在實(shí)際中,許多廠商都會(huì)用50號(hào)鋼替代42CrMo,本文在此對(duì)兩種材質(zhì)齒輪軸的金屬顯微組織進(jìn)行分析.首先,我們要做的是對(duì)兩種不同材質(zhì)的齒輪軸進(jìn)行取樣處理,并準(zhǔn)備一定用量的4.2%濃度的硝酸溶液作為反應(yīng)試劑;其次,為了提高反應(yīng)效果,還需要準(zhǔn)備一定量的酒精,其主要原因在于硝酸溶液混合酒精溶液可以提高其腐蝕效果;最后,在實(shí)驗(yàn)所需材料及器材準(zhǔn)備完成后,則可以將試驗(yàn)樣品投入試驗(yàn).在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的腐蝕之后,我們可以利用金相顯微鏡對(duì)齒輪軸進(jìn)行觀察.通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),50號(hào)鋼材質(zhì)的齒輪軸的顯微組織顯示的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的鐵素體,并伴隨著一些片狀的珠光體.而42CrMo材質(zhì)的齒輪軸樣品則顯示的是回火索氏體和少量的鐵素體.兩種材質(zhì)的齒輪軸樣品性質(zhì)也存在很大部分.通常情況下,索氏體在經(jīng)過(guò)一系列的處理后,其表現(xiàn)出的性能和強(qiáng)度都比較優(yōu)越,尤其是在強(qiáng)度和韌性方面,索氏體表現(xiàn)出的性能極為突出.而對(duì)于減速機(jī)齒輪軸來(lái)說(shuō),齒輪軸強(qiáng)度越大,韌性越強(qiáng)其發(fā)生斷裂的幾率也就越小.而反觀50號(hào)鋼材質(zhì)的齒輪軸,由于鋼的抗拉強(qiáng)度受魏氏組織的影響程度較低,因此通常情況下,鋼的抗拉強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生太大的變化.但魏氏組織的存在對(duì)于鋼的塑性卻具有較大的影響,其主要原因在于魏氏組織的出現(xiàn)通常都會(huì)伴隨著奧氏體晶體,而奧氏體晶體對(duì)于鋼的力學(xué)性能能夠造成極大的影響,尤其是對(duì)于鋼的抗沖擊韌度會(huì)造成極大的危害.值得注意的是,魏氏組織的出現(xiàn)通常都是由于鋼材質(zhì)的齒輪軸在加熱過(guò)程中,沒(méi)有控制好溫度導(dǎo)致的,且魏氏組織在不同的溫度下,所產(chǎn)生的性能也不相同.但總體來(lái)說(shuō),溫度處理越高,齒輪軸的韌性會(huì)相應(yīng)的變低,從而導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生斷裂.兩種材質(zhì)中42CrMo材質(zhì)的齒輪軸性能要較為優(yōu)越,因此,在實(shí)際中選擇使用該材質(zhì)的齒輪軸是避免減速機(jī)齒輪軸發(fā)生斷裂的有效方法之一.

2 某煉鋼廠減速機(jī)高速齒輪斷軸齒、斷軸案例分析及對(duì)策研究

活性石灰石是一種極為重要的造渣材料,由于其具有較為活潑的反應(yīng)性能和較低的含硫量,因此活性石灰石還可以作為燒結(jié)的溶劑.某企業(yè)在總體布置中設(shè)置了4條標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯,在2012年初建成并投入使用,所生產(chǎn)的活性石灰根據(jù)實(shí)際情況分別為轉(zhuǎn)爐煉鋼和燒結(jié)使用.該煉鋼廠回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)部分組成:支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、主電機(jī)、輔傳減速機(jī)、小齒輪、大齒圈、主減速機(jī)、高速聯(lián)軸器、窯頭、窯尾等部分組成.值得注意的是窯頭、窯尾沒(méi)有密封結(jié)構(gòu).回轉(zhuǎn)窯在使用過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生各種不同的故障.但總的來(lái)說(shuō)對(duì)回轉(zhuǎn)窯正常生產(chǎn)影響較大的還是要數(shù)主減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸.近年來(lái),該煉鋼廠發(fā)現(xiàn)回窯主減速機(jī)異音出現(xiàn)且振動(dòng)異常較為頻繁.通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)減速機(jī)高速齒輪已經(jīng)出現(xiàn)了斷齒現(xiàn)象.為了保證企業(yè)的正常生產(chǎn),該企業(yè)針對(duì)回窯減速機(jī)斷軸或斷齒問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析.

2.1 相關(guān)參數(shù)及斷齒、斷軸概況

(1)回轉(zhuǎn)窯電機(jī)相關(guān)參數(shù).該企業(yè)回轉(zhuǎn)窯主電機(jī)采用了YSNP355M2-6型號(hào),額定功率為16kW,轉(zhuǎn)速為980r/min.輔助傳動(dòng)電器型號(hào)為Y180M-4,額定功率為18.5kW,轉(zhuǎn)速為1470r/min.

(2)減速機(jī)相關(guān)參 數(shù).該企業(yè)主減速機(jī)采用了YNS1240-80VIBD-L型號(hào),中心距為1240mm,速比為80.副減速機(jī)型號(hào)為YNS395-28-I-L,中心距為395mm,速比為28.

(3)主減速機(jī)高速齒輪相關(guān)參數(shù).該企業(yè)主減速機(jī)高速齒輪結(jié)構(gòu).其中該主減速機(jī)齒輪部分參數(shù):齒輪軸材質(zhì)為35CrMo;法向模數(shù)為5;齒數(shù)為16;壓力角為24°;螺旋角為12°;截面M-M為115mm;原設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角為3mm.

(4)回轉(zhuǎn)窯故障前主減速機(jī)運(yùn)行狀態(tài).對(duì)設(shè)備的日常檢修和維護(hù)工作較為重視,并且對(duì)每次檢查和維護(hù)都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的記錄.在該企業(yè)回轉(zhuǎn)窯故障前,相關(guān)工作人員對(duì)回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)的運(yùn)行狀況記錄如下:2015年3月13日,在對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行設(shè)備點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)有異音,并有輕微的異常振動(dòng).對(duì)此,相關(guān)工作人員隨即對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控;18日工作人員再次對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行檢查,并利用頻譜分析進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè),但并沒(méi)有發(fā)生異常,而該主減速機(jī)異常振動(dòng)、異音似乎有增加的趨勢(shì);21日,工作人員申請(qǐng)進(jìn)行停機(jī)檢查,最后發(fā)現(xiàn)該主減速機(jī)高速齒輪已經(jīng)發(fā)生了四處斷齒現(xiàn)象,隨后在采用輔助傳動(dòng)涼窯停機(jī)進(jìn)行更換的過(guò)程中,該主減速機(jī)發(fā)生了的軸斷裂現(xiàn)象.

(5)軸斷齒、斷軸特征.從該減速機(jī)軸斷面來(lái)看,軸斷裂發(fā)生的位置出現(xiàn)在軸肩處,軸斷后減速機(jī)高速齒輪仍在凹凸斷面咬合下進(jìn)行涼窯運(yùn)轉(zhuǎn),即便是經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間的磨合,該軸斷面仍然可以清楚地看到一些疲勞裂紋.從軸肩處的軸斷面來(lái)看,斷面基本上與軸線保持垂直狀態(tài),斷面部分的區(qū)域存在部分鋸齒狀形態(tài),具體來(lái)說(shuō),可以將該軸斷面分為以下四個(gè)區(qū)域:一是軸肩的過(guò)渡處,在該位置疲勞裂紋的數(shù)量最多,疲勞源大致在2~3處之間;第二個(gè)區(qū)域是疲勞源的發(fā)展區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)表面較為光亮、具有一定數(shù)量的放射狀紋理;第三區(qū)域是疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)域,該區(qū)域表面較為光亮,但粗糙程度較高;第四個(gè)區(qū)域是瞬時(shí)斷裂區(qū)域,該區(qū)域在斷面的最中部,其最為顯著的特征便是表面極為粗糙.從斷齒狀況來(lái)看,該減速機(jī)發(fā)生斷齒的部位總共有四處,斷齒的長(zhǎng)度在減速機(jī)齒寬的一半左右.其中有兩處連續(xù)的斷齒,另外兩處斷齒呈相間狀態(tài).兩處連續(xù)斷齒內(nèi)部有明顯的銹跡,且存在剝落現(xiàn)象,因此這兩處位置的斷齒應(yīng)該是由于齒輪軸材質(zhì)不符合設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致的.另外兩處斷齒周?chē)凝X較為完好,且斷齒處不存在剝落現(xiàn)象,也不具有明顯的銹跡,因此初步判定該位置的斷齒應(yīng)該是由于減速機(jī)斷齒時(shí),高速齒輪軸失穩(wěn)異常嚙合所致.

2.2 減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸原因分析

(1)減速機(jī)高速齒輪軸斷齒宏觀原因分析.從減速機(jī)高速齒輪斷齒的狀況可以發(fā)現(xiàn),減速機(jī)齒輪軸斷齒主要有兩種類(lèi)型:一種是具有明顯疲勞特征的斷齒,另一種是一次性過(guò)載折斷的斷齒.該減速機(jī)斷齒總共出現(xiàn)在四個(gè)部位,在上文中已經(jīng)作出了初步的解釋.兩處連續(xù)的斷齒在此以斷齒1和斷齒2替代,另外兩處相間的斷齒在此以斷齒3和斷齒4表示.幾處斷齒的長(zhǎng)度基本上已經(jīng)達(dá)到了齒徑的一半.其中斷齒1和斷齒2具有明顯的疲勞裂紋,斷齒部位呈現(xiàn)出小塊狀,并伴有片狀剝落.由此可見(jiàn),斷齒1和斷齒2是一種接觸疲勞失效導(dǎo)致的齒輪軸斷齒.通常情況下,接觸疲勞會(huì)對(duì)齒表面造成反復(fù)的破壞,并且在長(zhǎng)期的接觸壓應(yīng)力的影響下,破壞部位會(huì)不斷惡化.但在短期內(nèi)齒輪軸仍然可以正常工作,但隨著時(shí)間的推移,齒表面受到的破壞會(huì)不斷地增大,從而造成了齒嚙合狀態(tài)出現(xiàn)異常,最終使減速機(jī)齒根部受到的應(yīng)力增大,將減速機(jī)齒輪軸齒表面上的裂紋擴(kuò)展成為斷齒.另外斷齒1和斷齒2內(nèi)部有明顯的銹點(diǎn),這表明該齒在工作中存在一定的內(nèi)部缺陷.而斷齒3和斷齒4斷面呈現(xiàn)出一次性斷裂的特征,因此,斷齒3和斷齒4應(yīng)該是由于減速機(jī)齒輪軸內(nèi)部突然卡入異物或者是負(fù)載突然增加導(dǎo)致齒嚙合異常所致.減速機(jī)齒輪軸斷齒狀況.

(2)減速機(jī)高速齒輪軸斷軸原因分析.①主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)齒輪軸M-M截面所受彎矩大小.由于主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),齒輪軸M-M截面不受轉(zhuǎn)矩影響,故此在這里只對(duì)齒輪軸M-M截面進(jìn)行彎矩受力大小計(jì)算.在主電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下,齒輪作用力在水平面的彎矩大小為1110N.m;齒輪作用力在垂直平面的彎矩大小為2479N.m;齒輪作用力在M-M截面作出的最大合力彎矩為2716N.m;由于附加圓周力作用而作出的彎矩大小為264N.m.由于附加圓周力作用平面不定,因此,當(dāng)附加圓周力作用到M-M截面時(shí)對(duì)減速機(jī)高速齒輪造成的威脅最大,在這個(gè)時(shí)候M-M截面所受彎矩大小應(yīng)為附加圓周力作用彎矩和M-M截面固有彎矩大小之和,為2980N.m.②輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)M-M截面所受彎矩、轉(zhuǎn)矩大小.由于在使用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),M-M截面不僅受彎矩的影響,同時(shí)還受轉(zhuǎn)矩的影響.在輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)減速機(jī)高速齒輪作用力在水平面的彎矩大小為3233N.m;而作用在垂直平面上的彎矩大小為8002N.m;最后作用在M-M截面上的最大合力彎矩為8630N.m;由附加圓周力作用而作出的彎矩大小為1364N.m;故當(dāng)附加圓周力作用在M-M截面時(shí),M-M截面所承受的彎矩大小為附加圓周力作用彎矩大小和M-M截面承受的固有彎矩大小之和,為9976N.m.另外,輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),齒輪軸M-M截面所受轉(zhuǎn)矩大小為4543N.m.綜上所述,當(dāng)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)M-M截面只承受彎矩,且承受的最大彎矩大小為2980N.m;而當(dāng)輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)M-M截面受彎矩和轉(zhuǎn)矩雙重影響,其中該截面受到的最大彎矩大小為9976N.m,而轉(zhuǎn)矩大小為4543N.m.由此可見(jiàn),在輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),M-M截面受到的影響較大,且較為容易發(fā)生斷裂.最后,經(jīng)計(jì)算當(dāng)采用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),M-M截面直徑處于合理范圍,由此表明該減速機(jī)齒輪軸M-M截面直徑大小設(shè)計(jì)合理.

(3)M-M截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)核校.從上文中可以得出M-M截面直徑設(shè)計(jì)合理,在設(shè)計(jì)上該截面為軸肩位置,且設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角半徑為3mm.按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》核對(duì),事實(shí)上該截面位置處于過(guò)渡周肩,應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角半徑為10mm.下面就不同的情況,對(duì)該截面位置的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行核校.當(dāng)采用主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),并且過(guò)渡圓角為3mm時(shí),該截面位置疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為4.722.此時(shí)該截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)與只考慮彎矩作用是的安全系數(shù)一致;當(dāng)采用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng),過(guò)渡圓角半徑為3mm時(shí),該截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為1.333,且只考慮彎矩作用的情況下安全系數(shù)為1.384,在只考慮轉(zhuǎn)矩作用的情況下,安全系數(shù)為4.968;最后在此用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng),并且過(guò)渡圓角為10mm的情況下,只考慮彎矩作用時(shí)安全系數(shù)為2.076,只考慮轉(zhuǎn)矩作用時(shí)安全系數(shù)為6.624,最后得出該截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為1.98.

(4)結(jié)論.當(dāng)采用主電機(jī)驅(qū)動(dòng),過(guò)渡圓角半徑為3mm時(shí),M-M截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)大于許用安全系數(shù),合格;當(dāng)采用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng),過(guò)渡圓角半徑為3mm時(shí),M-M截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)低于許用安全系數(shù),不合格;而當(dāng)過(guò)渡圓角更改為10mm時(shí),輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)M-M截面疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)大于許用安全系數(shù),合格.由此推斷,該企業(yè)主減速機(jī)高速齒輪斷軸、斷齒應(yīng)該是在采用輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)由于安全系數(shù)不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的.

2.3 避免減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸的對(duì)策

通過(guò)上述分析,想要避免減速機(jī)高速齒輪斷齒、斷軸應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手,首先,是要確定優(yōu)質(zhì)的供貨商,保證減速機(jī)高速齒輪自身的質(zhì)量;其次,要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備制造過(guò)程中的檢驗(yàn)檢測(cè)工作,做好其中的驗(yàn)收程序,保證投入生產(chǎn)的設(shè)備具有可靠的性能;再次,若投入使用的減速機(jī)運(yùn)行異常,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行綜合性的分析,并探究其在設(shè)計(jì)上是否存在缺陷,若存在設(shè)計(jì)缺陷,則應(yīng)進(jìn)行及時(shí)更正,從而避免減速機(jī)高速齒輪斷軸、斷齒問(wèn)題發(fā)生.

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,造成減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因大致可以分為四個(gè)類(lèi)型:一是高速齒輪軸結(jié)構(gòu)位置承受的壓應(yīng)力較大,二是高速齒輪采用的材質(zhì)不符合要求,三是生產(chǎn)廠家沒(méi)有對(duì)高速齒輪進(jìn)行熱處理,四是設(shè)計(jì)存在錯(cuò)誤.因此想要避免減速機(jī)軸斷齒、斷軸現(xiàn)象發(fā)生就必須要做好以上各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控.

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