挖掘機回轉(zhuǎn)支承早期斷齒故障研究

尹富先/YIN Fu-xian

（江蘇鼎晟液壓有限公司，江蘇 揚州 225261）

上部轉(zhuǎn)臺是液壓挖掘機3大組成部分之一。在轉(zhuǎn)臺上除了有發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、司機室、平衡重、油箱等以外，還有一個很重要的部分——回轉(zhuǎn)裝置?；剞D(zhuǎn)支承承載著挖掘機上機架，工作裝置、駕駛室、發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、平衡重、油箱等。當挖掘機工作時，其上部轉(zhuǎn)動必然會產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)動慣量和離心力。巨大的離心力會使回轉(zhuǎn)支承滾道內(nèi)的鋼球壓迫滾道并令其發(fā)生彈性變形，此時，回轉(zhuǎn)支承在負載時的動態(tài)徑向間隙比空載時的靜態(tài)徑向間隙要大得多。由此而最終導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒與立軸外齒嚙合的重合度大幅度降低，進而發(fā)生早期斷齒故障。這類性質(zhì)的早期斷齒故障時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計占挖掘機回轉(zhuǎn)支承早期斷齒故障總數(shù)的40%。本文以這類斷齒故障的一個實際例子來分析和闡述其早期斷齒故障發(fā)生的原因和解決方法。

有一個發(fā)生早期斷齒故障的20噸級挖掘機回轉(zhuǎn)支承，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，早期斷齒發(fā)生于內(nèi)圈內(nèi)齒徑向跳動最低點區(qū)域，區(qū)域內(nèi)有8個齒。斷齒部分基本上為全齒長，并基本沿嚙合痕跡起始線斷裂。

1 回轉(zhuǎn)支承嚙合齒高大幅減少的原因及其對嚙合中心距的影響

1.1 齒圈徑向跳動誤差對嚙合齒高的影響

根據(jù)實際嚙合痕跡可量得該回轉(zhuǎn)支承在挖掘機工作時與立軸小齒輪實際嚙合齒高為11.5mm，全齒高為27mm（圖1）。經(jīng)研究得知：理論嚙合齒高應(yīng)為全齒高的67%左右，即18mm（圖2）；齒圈徑向跳動為1.1mm（而按技術(shù)要求是0.35mm）；內(nèi)、外圈的空載靜態(tài)徑向間隙為1.8mm。當回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒與立軸外齒安裝調(diào)試時，是以回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒的齒跳最高點為基準安裝、調(diào)試的，這就是說，當回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒的齒跳最低點區(qū)域與立軸外齒嚙合時，嚙合齒高比齒跳最高點區(qū)域的嚙合齒高要減少1.1mm。

圖1 回轉(zhuǎn)支承實例嚙合齒高示意圖

圖2 與圖1同型號回轉(zhuǎn)支承理想嚙合齒高示意圖

1.2 回轉(zhuǎn)支承內(nèi)、外圈徑向間隙對嚙合齒高的影響

經(jīng)檢測內(nèi)、外圈之間的徑向間隙為1.8mm，這是按回轉(zhuǎn)支承有關(guān)標準規(guī)定的方法在其空載、靜態(tài)時檢測的數(shù)據(jù)。當挖掘機工作時，其上部在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的巨大的轉(zhuǎn)動慣量和離心力會使回轉(zhuǎn)支承滾道內(nèi)的鋼球壓迫滾道并令其發(fā)生彈性變形，此時，回轉(zhuǎn)支承在負載時的動態(tài)徑向間隙比空載時的靜態(tài)徑向間隙要大得多。有研究資料表明，前者是后者的3～5倍，按3倍計算，則可得回轉(zhuǎn)支承負載時的動態(tài)徑向間隙就會擴大到5.4mm。這個數(shù)值的物理意義是：內(nèi)圈和外圈之間在安裝的水平面內(nèi)可產(chǎn)生5.4mm的徑向位移。挖掘機工作時，上機架及上面的所有部件所做的旋轉(zhuǎn)運動是無序、隨機和頻繁的。所以，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈內(nèi)齒與立軸外齒在內(nèi)圈齒形的0位點（0位點相對于最大齒跳點而言）嚙合的情況會重復(fù)出現(xiàn)，此時，由于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒的徑向跳動誤差及動態(tài)徑向間隙的雙重疊加影響，導(dǎo)致二者的嚙合齒高比理論嚙合齒高減少6.5mm。

1.3 回轉(zhuǎn)支承齒圈徑向跳動誤差和徑向間隙對嚙合中心距的影響。

根據(jù)實例回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒在齒跳動最低點區(qū)域的嚙合齒高為11.5mm，相對于理論嚙合齒高的18mm，相當于這對內(nèi)嚙合齒輪在該區(qū)域嚙合時的嚙合中心距，比理論中心距減小了6.5mm。經(jīng)過計算，其內(nèi)嚙合理論中心距A＝471.412mm,實際嚙合中心距為471.412-6.5＝464.912mm，由此可以計算出內(nèi)嚙合齒輪副的重合度為0.85。

2 齒輪副嚙合重合度小于1導(dǎo)致斷齒故障發(fā)生的理論分析

一對齒輪副要實現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)、可靠地傳動，其嚙合的重合度必須大于1（研究表明，挖掘機回轉(zhuǎn)支承與立軸嚙合的重合度為1.4～1.5）。本實例回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒最小齒跳區(qū)域與立軸外齒嚙合時的重合度經(jīng)計算為0.85 <1，這就是說，此時主動齒輪（立軸外齒）與從動齒輪（回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒）在前一對輪齒嚙合脫開時，后一對輪齒尚未進入嚙合狀態(tài)。有研究資料表明，在這種狀態(tài)下主動齒輪的輪齒會產(chǎn)生強大的沖擊載荷（可達正常連續(xù)傳動時輪齒承受載荷的3倍）。并且由于嚙合齒高由18減小到11.5，經(jīng)測量和計算得：輪齒受力截面積大幅減小28%。由于實例回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒最小齒跳處長期、周期性地發(fā)生這種情況，在這個區(qū)域發(fā)生早期斷齒故障的現(xiàn)象就在所難免了。

3 回轉(zhuǎn)支承齒圈徑向跳動過大的原因及解決方法

1）內(nèi)、外圈調(diào)質(zhì)熱處理后的基體組織品質(zhì)太差 經(jīng)解體檢查滾道，發(fā)現(xiàn)滾道表面被鋼球壓潰，鋼球與滾道之間的軸向及徑向間隙大幅增大。經(jīng)取樣化驗得：調(diào)質(zhì)熱處理后的內(nèi)、外圈的基體組織為GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》中評級圖3中的7級、晶粒度為3級、調(diào)質(zhì)硬度為210HB。因此，內(nèi)圈在粗車滾道、插齒等工序的加工過程中，極易發(fā)生較大的變形。

2）滾道和輪齒表面中頻淬火后未校圓 經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，這兩道工序分別會產(chǎn)生1.2mm左右的橢圓度，所以這兩道工序之后，必須用專用設(shè)備進行校圓。

3）滾道和輪齒表面中頻淬火后的回火工序保溫時間不夠 由于內(nèi)、外圈滾道和輪齒表面中頻淬火工序后，必然會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，如果回火不充分，一方面淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得不到完全、徹底的釋放；另一方面也不能使淬火后得到的組織（馬氏體和殘余奧氏體）獲得充分的轉(zhuǎn)變（轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體）。在回轉(zhuǎn)支承后續(xù)的使用過程中，由于強大的沖擊載荷作用，淬火內(nèi)應(yīng)力會釋放，未經(jīng)轉(zhuǎn)變的組織也將自發(fā)地發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，伴隨而來的是內(nèi)、外圈尺寸和形狀的改變。這對回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒的齒圈徑向跳動值影響很大。

4）解決方法 ①用專用校圓設(shè)備分別先、后對滾道和輪齒表面中頻淬火后產(chǎn)生的橢圓度進行檢測，并校圓至橢圓度≤0.0003D(D為滾道中心直徑）。②抓好內(nèi)、外圈調(diào)質(zhì)熱處理工藝，確保調(diào)質(zhì)熱處理后的金相組織達到GB/T 13320-2007標準評級圖3中1～3級的要求，晶粒度達到6～8級。③滾道或輪齒中頻淬火后6h內(nèi)必須進行充分回火，由于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)、外圈體積較大，回火溫度為180～200℃，回火保溫時間必須保證3.5～4.5h。

4 內(nèi)、外圈間隙過大的原因及解決方法

經(jīng)過對本實例回轉(zhuǎn)支承的解體、取樣檢測等措施，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外圈滾道存在被鋼球壓潰的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致徑向間隙過大。經(jīng)分析認為：滾道被壓潰的原因有如下3點。

1）滾道表面中頻淬火硬化層太淺（經(jīng)檢測只有1.1mm） 按照國家有關(guān)回轉(zhuǎn)支承的標準規(guī)定，回轉(zhuǎn)支承滾道表面感應(yīng)淬火硬化層應(yīng)為大于3.5mm。由于滾道表面淬硬層太淺，在挖掘機回轉(zhuǎn)時，滾道表面承受不了巨大的沖擊載荷，從而表面出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

2）金相檢測發(fā)現(xiàn) 滾道淬硬層晶粒粗大依據(jù)JB/T-9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》，金相為2級，出現(xiàn)過熱組織。有研究表明：滾道表面淬硬層晶粒越粗大，沖擊韌性就越低，在重載和沖擊載荷作用下，滾道表面開裂和畸變的隱患也越大。當挖掘機處于回轉(zhuǎn)工況時，由于強大的沖擊載荷作用，致使?jié)L道表面產(chǎn)生裂紋，在重載下裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致滾道表面出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

3）內(nèi)、外圈基體調(diào)質(zhì)組織不符合要求，硬度低 在文章引言中已經(jīng)介紹，經(jīng)檢測知內(nèi)、外圈調(diào)質(zhì)熱處理，依照GB/T 13320-2007判定基體調(diào)質(zhì)組織為7級，其硬度為210HB。作為感應(yīng)淬火硬化層的支承載體，其承載能力和接觸剛度是不足的。在挖掘機處于回轉(zhuǎn)工況時，在強大的沖擊載荷作用下，基體組織容易發(fā)生塑性變形，加之硬化層太淺，使?jié)L道發(fā)生凹陷，進而崩塌。

4）解決方法 由于上述3個原因?qū)е铝嗽摶剞D(zhuǎn)支承滾道表面被壓潰，內(nèi)、外圈的徑向間隙隨之擴大。內(nèi)圈齒跳最低點區(qū)域的嚙合重合度大幅減小，結(jié)果在兩個月內(nèi)發(fā)生斷齒現(xiàn)象。解決方法是首先抓好內(nèi)、外圈調(diào)質(zhì)熱處理這道工序，務(wù)必使內(nèi)、圈的調(diào)質(zhì)基體組織符合GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評定方法》規(guī)定的要求：金相組織1～3級；硬度達到270～290HB；晶粒度6～8級。第二步就是務(wù)必抓好滾道表面中頻感應(yīng)淬火熱處理，確保滾道表面硬度達到56～61HRC；確保滾道淬硬層深度達到JB/T 10839-2008《建筑施工機械與設(shè)備單排球式回轉(zhuǎn)支承》的標準要求，?28.575的滾道精加工后的淬硬層深度不小于3.5mm。只有這樣，滾道才能在強大的工作沖擊載荷作用下堅固牢靠，不至于被鋼球壓潰。

5 結(jié) 論

綜上所述，這個發(fā)生早期斷齒故障的挖掘機回轉(zhuǎn)支承的斷齒的原因是：由于內(nèi)、外圈的徑向間隙過大和內(nèi)圈的齒圈徑向跳動過大兩個不良因素所造成。其解決方法是：內(nèi)、外圈調(diào)質(zhì)熱處理后的機體組織達到GB/T 13320-2007評級圖3中的1～3級金相組織的要求；機體組織的硬度達到270～290HB；晶粒度達到6～8級，保證滾道表面中頻淬火的硬度為56～61HRC，其淬硬層深度在滾道精加工后不小于3.5mm；滾道和輪齒表面中頻淬火后分別都要進行校圓工序；校圓的橢圓度要求為不大于0.000 3D(D為滾道中心直徑)；兩次表面中頻淬火后都必須分別進行180～200℃的低溫回火，回火保溫時間達到3.5～4.5h，回火工序必須在滾道或輪齒表面中頻淬火完成后的6h內(nèi)進行。

[1] 吳宗澤．機械設(shè)計實用手冊(第3版)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.