中空成型機(jī)擠出系統(tǒng)減速箱齒輪故障原因分析與處理

莫振彪

（茂名市高技能人才公共實(shí)訓(xùn)中心，廣東 茂名 525000）

1 中空成型機(jī)齒輪箱故障現(xiàn)象

隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、汽車工業(yè)高速發(fā)展和重化產(chǎn)業(yè)升級(jí)等，對(duì)潤(rùn)滑油的需求量會(huì)進(jìn)一步增加。中空成型機(jī)是4 L塑料潤(rùn)滑油桶的主要制造裝備，隨著潤(rùn)滑油桶制造技術(shù)的發(fā)展，其控制系統(tǒng)經(jīng)歷了半自動(dòng)、全自動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，其成型原理為“擠-吹”成型。設(shè)備主要由擠出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成，其中擠出系統(tǒng)是中空成型機(jī)的核心部分，包括電動(dòng)機(jī)、齒輪減速箱、料斗、擠出螺桿、擠出機(jī)頭等。減速箱是其工藝系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是機(jī)器能否正常運(yùn)行的主要因素之一，直接影響擠出效果、機(jī)器的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[1]。

圖1 擠出系統(tǒng)齒輪減速箱傳動(dòng)示意圖

減速系統(tǒng)為三級(jí)單螺旋閉式齒輪減速器，設(shè)計(jì)參數(shù)為：功率500 kW，輸入轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)速850~1 150 r/min，傳動(dòng)比1∶22.393，潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑。

該機(jī)組投入使用一段時(shí)間后，減速箱出現(xiàn)振動(dòng)，并伴有較大噪音異響，對(duì)其進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)減速箱第三級(jí)小齒輪（即圖1的齒輪5）齒面表層上的金屬微粒出現(xiàn)點(diǎn)蝕剝落，形成麻點(diǎn)狀的凹坑（如圖2所示），并有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，導(dǎo)致減速箱在高溫環(huán)境及大負(fù)荷工況下，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)明顯惡化，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常生產(chǎn)。

圖2 齒面點(diǎn)蝕圖

2 齒輪疲勞點(diǎn)蝕故障原因分析

齒輪齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕是一般閉式齒輪傳動(dòng)軟齒面常見(jiàn)的失效形式，其機(jī)理為：輪齒嚙合過(guò)程中，接觸面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，該應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化的，齒面在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，如果接觸應(yīng)力超過(guò)了齒輪材料的接觸疲勞極限，表層就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的、不規(guī)則的疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的蔓延、擴(kuò)展，導(dǎo)致齒面表層小片狀剝落。因此，接觸應(yīng)力的大小是齒輪產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕的關(guān)鍵和主要原因。由于減速箱齒輪為軟齒面低速重載齒輪，并且過(guò)早出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，所以應(yīng)校核其接觸疲勞強(qiáng)度[2]。

2.1 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度判別標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于外嚙合圓柱齒輪，其齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為：σH≤ [σH][3].

2.2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核

2.2.1 第三級(jí)小齒輪的主要技術(shù)參數(shù)

出現(xiàn)齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕的小齒輪主要技術(shù)參數(shù)為：模數(shù)mn=12，齒數(shù)z=22，分度圓壓力角α=20°，分度圓螺旋角β=17°，齒寬B=85 mm，小齒輪材料為40 Cr調(diào)質(zhì)，齒面硬度260 HBW，精度8級(jí)。

2.2.2 小齒輪齒面接觸應(yīng)力計(jì)算

（1）最大工作轉(zhuǎn)矩

（2）齒面接觸應(yīng)力σH

式中：ZE為彈性系數(shù)，ZE=189.8 MPa；ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，ZH=2.5；Zε為重合度系數(shù)，Zε=0.78；Zβ為螺旋角系數(shù)，Zβ=0.976；K 為載荷系數(shù)，K=2.43.代入上式計(jì)算得：

σH=616.5 MPa

2.2.3 小齒輪許用接觸應(yīng)力計(jì)算

（1）σHlim—接觸疲勞極限，對(duì)于淬火調(diào)質(zhì)鋼齒輪，查表得[4]：σHlim=710 MPa

（2）查表核算壽命系數(shù)[3]：ZN=0.975；安全系數(shù)[4]：SHmin=1.0~1.10

（3）代入公式計(jì)算許用接觸應(yīng)力為：

2.2.4 齒輪點(diǎn)蝕剝落結(jié)論

通過(guò)以上分析計(jì)算可知，σH=616.5 MPa≈[σH]=629.3 MPa，可知，齒輪接觸應(yīng)力與許用接觸應(yīng)力基本相等。在設(shè)計(jì)壽命時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)接觸疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，是由于齒輪接觸應(yīng)力與許用接觸應(yīng)力接近，相互嚙合配對(duì)齒輪，在相同載荷的條件下，小齒輪由于轉(zhuǎn)數(shù)多，應(yīng)力作用循環(huán)次數(shù)多及載荷的波動(dòng)等導(dǎo)致疲勞點(diǎn)蝕的發(fā)生。

3 故障處理措施

齒面疲勞點(diǎn)蝕是潤(rùn)滑良好的閉式齒輪常見(jiàn)的失效形式，齒輪點(diǎn)蝕后會(huì)使齒輪有效接觸面積減少，齒面單位載荷增大，影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性，增加能耗，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，甚至不能工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪斷裂而發(fā)生重大事故。為保證裝置正常運(yùn)行，在現(xiàn)有工況條件下對(duì)減速箱提出改進(jìn)措施。

3.1 更換小齒輪，并進(jìn)行表面強(qiáng)化處理

更換小齒輪，并對(duì)齒輪進(jìn)行深層滲碳、表面淬火磨齒工藝，齒輪加工精度要求達(dá)到7級(jí)以上，齒面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。具體強(qiáng)化措施：滲碳淬火+低溫回火工藝。滲碳在920~930℃進(jìn)行，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較深的滲層，再經(jīng)過(guò)淬火+低溫回火處理，使表面獲得高碳馬氏體，齒面硬度達(dá)到了50 HRC，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)大于38 HRC的要求，保證了硬度和耐磨性，芯部為低碳馬氏體，保證了韌性[5]。

3.2 重新設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)，加強(qiáng)潤(rùn)滑

在原有飛濺潤(rùn)滑基礎(chǔ)上，增設(shè)第三級(jí)齒輪副嚙合點(diǎn)處噴油潤(rùn)滑裝置（如圖3所示），加強(qiáng)潤(rùn)滑；并定期檢查潤(rùn)滑油，及時(shí)更換潤(rùn)滑油，加強(qiáng)潤(rùn)滑油的冷卻作用[6]。

圖3 噴油潤(rùn)滑示意圖

技術(shù)改造后，減速箱整體承載能力得到提高，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，中空成型機(jī)減速箱齒輪狀況良好，齒輪點(diǎn)蝕損壞事故大幅下降，減少了檢修維護(hù)時(shí)間和運(yùn)行成本，保證了裝置的正常生產(chǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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