挖掘機輪齒失效分析與研究

郜海超

[摘要]：隨著挖掘機在工程項目中的逐漸應(yīng)用，回轉(zhuǎn)支承的斷齒幾率顯著增大，針對挖掘機在作業(yè)時，斗齒磨損失效的有效防控進行了全面的分析。分析了輪齒失效的原因，提出了提高輪齒性能的方案。

[關(guān)鍵詞]：挖掘機 回轉(zhuǎn)支承 輪齒折斷

0前言

每一種品牌的國產(chǎn)挖掘機使用回轉(zhuǎn)支承的斷齒概率都存在一定的差異，而挖掘機的售后配件市場反映的回轉(zhuǎn)支承斷齒率卻非常的高，甚至有些國產(chǎn)品牌的挖掘機出現(xiàn)過兩位數(shù)百分比的大面積回轉(zhuǎn)支承斷齒問題。通常情況下，回轉(zhuǎn)支承出現(xiàn)斷齒的部位主要是內(nèi)嚙合和硬齒面，但是外嚙合和軟齒面的回轉(zhuǎn)支承卻很少出現(xiàn)斷齒的問題。下文主要是闡述回轉(zhuǎn)支承內(nèi)嚙合和硬齒面容易出現(xiàn)斷齒的原因，以及對其提出采用鼓形齒回轉(zhuǎn)支承的解決對策，更好地解決斷齒問題。

1挖掘機回轉(zhuǎn)支承失效現(xiàn)象

回轉(zhuǎn)支承實測幾何尺寸為：外徑1620mm，內(nèi)徑1275mm，厚度125mm，內(nèi)齒圈齒數(shù)92個，齒長135mm，齒高30mm，齒頂厚度8mm，齒根厚度35mm。內(nèi)齒圈齒形為直齒。

回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈共有18個齒嚴重損壞，損壞的18個齒呈現(xiàn)連續(xù)排列特征，占比達到圓周總長度五分之一的區(qū)域，分度圓以上的齒高被磨損殆盡，只余下分度圓以下的齒根部分。未見斷齒痕跡。

回轉(zhuǎn)支承在使用時還會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承過程中，出現(xiàn)卡死、滾道壓陷、壓裂等非正常失效現(xiàn)象。

2分析回轉(zhuǎn)支承出現(xiàn)斷齒的原因

挖掘機在工作的過程中，容易產(chǎn)生一定的傾翻力矩，從而導(dǎo)致小齒輪的中心線出現(xiàn)一定的傾斜角度和徑向位移，由此齒輪傳動的中心距會相應(yīng)產(chǎn)生一定的變化，齒側(cè)間隙也不例外。通常情況下，挖掘機使用的回轉(zhuǎn)支承的出廠間隙最好要小于0.2毫米，在經(jīng)過一段時間的投入使用后，回轉(zhuǎn)支承的間隙會有一定程度的變大。其實，在挖掘機的實際工作中，回轉(zhuǎn)支承的滾道一般都會產(chǎn)生一定的變形。

回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)類似于滾動軸承，外圈固定在挖掘機下車架上，內(nèi)圈為內(nèi)齒輪圈，固定在上車架上，外圈與內(nèi)圈之間有球形滾珠。挖掘機上車架的360度回轉(zhuǎn)運動是由回轉(zhuǎn)減速機帶動回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪圈轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的。

用清洗油將回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈清洗后，除受損的18個齒以外的輪齒齒形完整，齒面光滑，齒頂和齒根均未見損壞，齒頂厚度基本均勻相等，可以基本判定在工作過程中回轉(zhuǎn)支承與回轉(zhuǎn)減速機之間嚙合良好，中心線平行，中心距正確，沒有發(fā)生磨損性損壞現(xiàn)象。

經(jīng)分析，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈的18個齒最早出現(xiàn)損壞，然后通過齒輪之間的相互嚙合關(guān)系導(dǎo)致了減速機圓柱齒輪輪齒的損壞。

齒輪內(nèi)圈8個齒的損壞特征與其他未損壞的輪齒相比較，在表象上沒有出現(xiàn)過渡性區(qū)域，可以基本判定包含這18個齒的齒圈區(qū)域存在制造缺陷或者是原材料缺陷。

回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈是鍛造材質(zhì)，金屬材料經(jīng)過鍛造加工可以基本消除原材料內(nèi)部的缺陷，因此，可以基本排除原材料存在缺陷的可能性。

回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈在加工過程中，為了提高輪齒齒面硬度、增強輪齒表面的耐磨性能，必然要采用熱處理工藝，齒圈的熱處理工藝一般為：加熱（900度）——淬火（油冷）——回火（550度），結(jié)合回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈18個齒損壞特征分析，可以基本判定包含這18個齒的齒圈區(qū)域在熱處理過程中，表面硬度和耐磨性能沒有達到技術(shù)要求。

3改進措施

（1）提高回轉(zhuǎn)支承的安全系數(shù)

回轉(zhuǎn)支承經(jīng)常在低速大載荷工況下進行，計算的承載能力應(yīng)該提高凈容量與當(dāng)量載荷的比值，讓回轉(zhuǎn)支承在完全安全的范圍內(nèi)工作。

（2）提高回轉(zhuǎn)支承制造精度

據(jù)現(xiàn)有資料介紹，目前小噸位起重機回轉(zhuǎn)支承較之大噸位起重機回轉(zhuǎn)支承的接觸應(yīng)力要小，實際安全系數(shù)較高。而起重機噸位越大，則其回轉(zhuǎn)支承直徑越大，制造精度越低，其安全系數(shù)實際上反而較低，這就是大噸位起重機回轉(zhuǎn)支承比小噸位起重機回轉(zhuǎn)支承更容易損壞的根本原因。所以提高大噸位起重機回轉(zhuǎn)支承的制造精度也是改善輪齒折斷的一個重要措施。

（3）改善回轉(zhuǎn)支承熱處理工藝

回轉(zhuǎn)支承本身的加工質(zhì)量受制造精度、軸向間隙和熱處理狀態(tài)的影響很大，這里容易忽略的因素是熱處理狀態(tài)的影響。顯然，要使?jié)L道表面不產(chǎn)生裂紋及壓陷，就要求滾道表面除具有足夠的硬度而外，還必須具有足夠的硬化層深度和心部硬度。據(jù)國外資料介紹，滾道硬化層深度應(yīng)隨滾動體的增大而加厚，最深可超過6mm以上，心部硬度也應(yīng)較高，這樣滾道才會有較高的抗壓潰能力。所以回轉(zhuǎn)支承滾道表面淬硬層深度不足，心部硬度偏低，也是造成其損壞的原因之一。

（4）選用優(yōu)良的材料

回轉(zhuǎn)支承滾動體采用整體淬硬的碳鉻軸承鋼。牌號為GCr15或GCr15SiMn鋼制造；湛瀘回轉(zhuǎn)支承套圈則采用表面淬硬鋼等優(yōu)質(zhì)材料。通過有限元分析，適當(dāng)加大轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承相連部位的板材厚度，以便提高轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)剛度。

4結(jié)論

通過以上各項的查看和分析，可以基本認定占比達到圓周總長度五分之一區(qū)域的18個齒是導(dǎo)致挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)損壞事故的事故源。

挖掘機回轉(zhuǎn)減速機和回轉(zhuǎn)支承受損，是回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒圈上連續(xù)排列的18個齒在熱處理過程中表面硬度和耐磨性沒有達到技術(shù)要求，在內(nèi)齒圈18個齒損壞后又導(dǎo)致了回轉(zhuǎn)減速機的損壞。

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