矯平機齒輪箱斷齒分析與改進

馬彩英 楊敏超 劉振慶

江陰齒輪箱制造有限公司 江蘇江陰市

一、前言

矯平機可作為去除板材應(yīng)力、提高板材品質(zhì)的設(shè)備使用，為適應(yīng)市場需求，江陰齒輪箱制造有限公司開發(fā)了多種規(guī)格的輥式矯平機用減速器。輥式矯平操作是在交錯排列的上、下排工作輥之間進行，兩列工作輥的空檔中間形成交錯的排列，板材從一端送入，被矯平機嚙入，工作輥對板材進行正反方向的多次交變彎曲，最終使板材變得平整。輥式矯平機減速器作為關(guān)鍵的傳動部件，必須要保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、長期運行，應(yīng)滿足高可靠性要求。JPJ28型矯平機，在短短半年內(nèi)就出現(xiàn)了重大事故，造成不良影響，必須采取相應(yīng)改進措施

二、齒輪箱斷齒情況與分析

JPJ28矯平機的齒輪箱，是專門為矯平高強度板材設(shè)計的部件，先后生產(chǎn)過2臺。第一臺于2009年11月交貨，使用至今沒有問題，用于小規(guī)格板材矯平。第二臺用于稍大規(guī)格板材矯平，用于12mm厚1800mm寬度的板材矯平線。所用減速器于2010年11月交貨，客戶使用半年后出現(xiàn)嚴(yán)重斷齒現(xiàn)象，并且主箱體的上箱體邊角出現(xiàn)變形。

兩臺相同的設(shè)備，一臺運轉(zhuǎn)良好，另一臺卻在半年時間內(nèi)損壞，當(dāng)時懷疑操作工操作不當(dāng)。到現(xiàn)場查看情況，詢問操作工，設(shè)備正常運行時有輕微響聲，運行中板材突然卡住不動，操作工馬上按下停止按鈕，但未能立即切斷電源，過了5s左右按下另外一個停止按鈕才切斷電源，此過程中齒輪箱發(fā)出很大聲音，應(yīng)該是發(fā)生了斷齒并且發(fā)現(xiàn)齒輪箱上箱體邊角處有輕微變形。操作中并未反向送入板材，可排除操作問題。

拆箱后，發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)齒輪損壞（圖1），部分齒輪損毀嚴(yán)重（圖2），箱內(nèi)放油后，發(fā)現(xiàn)很多齒輪碎塊（圖3）。完全拆開后，又發(fā)現(xiàn)輸出軸有扭曲變形。將碎塊送熱處理部門分析后，未發(fā)現(xiàn)異常。統(tǒng)計后，齒輪箱中有5根輸出軸彎曲變形，4個齒輪有損傷，4個齒輪發(fā)生斷齒，有11個軸承和10個油封需要更換。并且這些齒輪、齒軸的損壞部位不在同一個位置。

圖1 箱體內(nèi)部概況

矯平機減速器內(nèi)的空間比較狹窄，布局非常緊湊，箱體軸布置見圖4。輸出軸受空間限制，軸徑相對較小，導(dǎo)致軸比較細長，齒輪模數(shù)較大，齒輪材料采用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrNi2MoA。

圖2 斷齒齒輪

圖3 斷裂的齒輪碎塊

圖4 箱體布置示意

根據(jù)損壞的現(xiàn)象分析，考慮矯平機受負扭矩作用，即由于各工作輥作用于板材的壓彎量不同，引起各矯平輥的線速度不一樣，導(dǎo)致某輥驅(qū)動板材時，下面一棍線速度較慢，板材反作用于該工作輥，相當(dāng)于板材拖著工作輥轉(zhuǎn)動。此時工作輥不但不起作用，反而形成了對系統(tǒng)的阻力，導(dǎo)致板材進入矯平機時，前面幾個輥受到了相當(dāng)大的力，某根工作輥產(chǎn)生輕微彎曲變形，甚至安裝齒輪的部位也產(chǎn)生了彎曲，這樣該位置的齒輪嚙合受到偏轉(zhuǎn)，作用力由原來作用于全齒面，變?yōu)樽饔糜诓糠铸X面上，對齒輪造成很大沖擊，進而產(chǎn)生斷齒。斷齒后產(chǎn)生的碎片，刮到了箱體內(nèi)壁，并且甩到其他齒輪部位，導(dǎo)致其余位置的齒輪也發(fā)生了斷齒或是齒面損傷。并且受影響部位的軸承也承受了很大的力，軸承頂起上箱體而導(dǎo)致上箱體邊角變形。雖然軸承外觀看不到明顯損傷，為確保安全，也需更換軸承。

三、矯平機齒輪箱改進

1.提高設(shè)計安全系數(shù)

因為負扭矩的存在，導(dǎo)致板材進入部位受力不定，具體達到多大難以估計，應(yīng)盡量加大安全系數(shù)。同時建議客戶加大該減速器的中心距，以加大齒輪模數(shù)來提高傳動件的強度。為確保安全，特意將實際工作扭矩放大2倍后計算。提高后的安全系數(shù)見表1。

2.優(yōu)化傳動方式

在空間受限制條件下，對產(chǎn)品的傳動方式進行優(yōu)化，以使載荷盡量分散布置而不集中，避免某處負載過大而導(dǎo)致此處傳動件加大后難以布置的問題，并避免干涉問題的產(chǎn)生。

3.優(yōu)化軸承布置

空間的有限也導(dǎo)致軸承的布置受限制，因此對每一處的軸承進行仔細校核，保證在有限空間下的軸承布置要滿足產(chǎn)品高強度運轉(zhuǎn)要求。

表1 提高后的安全系數(shù)

4.加寬內(nèi)軸承座并增加螺栓數(shù)量

考慮箱體強度可能不足，為此對內(nèi)軸承座進行加寬以加大固定螺釘并且增加固定螺栓、螺釘數(shù)量。各中間軸承座均與箱體焊接為一體，與上箱體結(jié)合處放置筋板加強。上箱體上方再增加螺栓固定使箱體、中間軸承座固為一體。軸承座部位螺栓原來為8.8級強度螺栓，現(xiàn)均采用12.9級強度螺栓。

1 齒輪手冊編委會.齒輪手冊.機械工業(yè)出版社，2000

2 機械零件設(shè)計手冊.冶金工業(yè)出版社,1994

3 成大先.機械設(shè)計手冊.化學(xué)工業(yè)出版社，2008