起重機開式齒輪傳動失效模式原因分析

楊明濤

摘 要：現(xiàn)代機械設(shè)備雖然種類繁多，形式多樣，但齒輪傳動仍然是目前被廣泛采用的主要傳動形式之一，齒輪的失效輕則影響起重機不能正常運行，重則釀成重大安全事故，危及人民群眾的生命財產(chǎn)安全。本文簡要介紹了開式齒輪傳動和閉式齒輪傳動的區(qū)別及齒輪傳動的失效模式，主要分析開式齒輪傳動的失效模式對起重機安全正常運行的影響。

關(guān)鍵詞：起重機械；開式齒輪傳動；失效模式

中圖分類號：TH213.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0066-02

Failure Mode Analysis of Open Gear Transmission of Crane

YANG Mingtao

（Qingyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Qingyang Gansu 745000）

Abstract： Although there are many kinds and various forms of modern machinery， the gear transmission is still one of the main transmission forms which are widely used at present. The light failure of the gear will affect the crane's failure to operate normally. The weight of the gear will lead to a major safety accident， endangering the safety of the people's life and property.This paper briefly introduced the difference between open and closed gear transmission and the failure mode of the gear transmission. It mainly analyzed the effect of the failure mode of the open type gear transmission on the safe and normal operation of the crane.

Keywords： lifting machinery；open gear drive；failure mode

近年來，我國高速公路建設(shè)的總里程位居世界第一。而高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中離不開起重機，其能實現(xiàn)短距離運輸，且大大減輕了工作人員的體力勞動，提高了勞動生產(chǎn)率。齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最廣泛的一種傳動形式，其傳動較為準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。在起重機上，常用齒輪傳動減速或增大扭矩。因此，齒輪傳動的失效必然會影響起重機的安全運行。

1 開式與閉式齒輪傳動的區(qū)別及其失效模式

齒輪傳動分為3種形式，即開式齒輪傳動、半開式齒輪傳動和閉式齒輪傳動。其中，開式齒輪傳動是指齒輪暴露在外，不能保證良好的潤滑，不在封閉箱體的齒輪傳動；半開式齒輪傳動是指齒輪浸入油池，有護罩，但不封閉；閉式齒輪傳動是指齒輪、軸和軸承等都裝在封閉箱體內(nèi)，潤滑條件良好，灰沙不易進入，安裝精確，齒輪傳動有良好的工作條件[1]。

齒輪傳動失效主要是指齒輪的輪齒失效，即在載荷作用下，輪齒發(fā)生損壞或永久變形。齒輪失效輕則影響傳動質(zhì)量，重則使齒輪喪失工作能力。常見的失效模式有輪齒折斷（分為過載折斷、疲勞折斷和缺陷折斷）、齒面磨損、齒面疲勞點蝕、齒面膠合和齒面塑性變形等幾種模式[2]。而后面4種齒面失效模式使齒輪的齒面偏離了原有的齒廓曲線形狀，從而造成齒輪瞬時角速度不等，引起起重機振動、噪聲等。

2 開式齒輪傳動失效的原因分析

2.1 由隨意更換齒輪引起的傳動失效

根據(jù)齒輪制造所采用材料的材質(zhì)和熱處理工藝的不同，齒輪的輪齒齒心有較脆和較韌之別，如采用40Cr或45#鋼經(jīng)過整體淬火、表面淬火或氮化處理的鋼齒輪，其齒心有較高的淬透性，因而輪齒的齒心較脆；例如，?；膬?yōu)質(zhì)鋼材及合金鋼齒輪經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其輪齒的齒心較韌；根據(jù)硬度的大小，齒輪的齒面可區(qū)分為硬齒面齒輪和軟齒面齒輪，即輪齒工作面的硬度大于350HBS或38HRC的齒輪稱為硬齒面齒輪，齒輪工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC的稱為軟齒面齒輪[3]。硬齒面齒輪傳動載荷大，使用壽命長，多用于重載場合，而軟齒面齒輪承載能力較低，但制造比較容易，嚙合性好，多用于輕載場合。從設(shè)計角度而言，開式齒輪傳動多采用輪齒較韌、齒面較硬的齒輪，以保證齒根彎曲疲勞強度。在起重機的日常維修作業(yè)中，使用單位為了節(jié)約成本及更換方便，往往不考慮齒輪的材質(zhì)，只考慮齒輪的嚙合重合度，尤其是在沒有更換齒輪組的情況下，導(dǎo)致起重機開式齒輪傳動失效。

2.2 由多次拆裝造成裝配精度不高引起的傳動失效

近年來，高速公路和高速鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目日益增多，在建設(shè)過程中，需要不斷對所用的起重機械進行移裝作業(yè)，而這勢必會導(dǎo)致開式齒輪裝配體局部變形，齒輪系及齒輪箱裝配偏心，接觸精度低，軸的平行度差，軸、軸承和軸承座的剛度不足，軸承的回轉(zhuǎn)精度不高及間隙不當(dāng)?shù)?，從而?dǎo)致開式齒輪裝配精度不高，引起輪齒折斷的傳動失效，這種現(xiàn)象在預(yù)制混凝土梁場的通用門式起重機中比較常見。

2.3 齒條安裝偏差及接頭間隙變大引起的傳動失效

施工升降機的齒條是分段安裝在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上的，在整個吊籠的工作行程中，齒條并非屬于一個完整的整體，而是由和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等長的分段組裝起來的。但是，在施工升降機反復(fù)安裝與拆卸的過程中，由于安裝垂直度的影響，將會直接影響齒條的安裝，甚至導(dǎo)致齒條接頭間隙變大，這種情況會加速齒輪的磨損，在重載情況下，還會導(dǎo)致齒條接頭處由于意外短期過載或過大沖擊載荷造成輪齒的過載折斷。

2.4 其他方面引起的開式齒輪傳動失效

①齒輪設(shè)計方面。參數(shù)選擇不當(dāng)，重合度過小，齒廓修形不當(dāng)或沒有修形，齒輪箱結(jié)構(gòu)不合理等。②齒輪加工方面。基節(jié)誤差和齒形誤差過大，齒側(cè)間隙過大，表面粗糙度過大等。③其他方面輸入扭矩。負載扭矩的波動，軸系的扭振，電動機及其他傳動副的平衡情況等。

3 開式齒輪傳動的失效模式對起重機安全運行的影響

①隨意更換齒輪導(dǎo)致齒面軟硬不相適應(yīng)，齒輪齒面磨損加劇，大大降低了開式齒輪的使用壽命。同時，過度磨損會導(dǎo)致齒輪嚙合間隙變大，在起重機制動瞬間造成起重機振動，產(chǎn)生振動載荷，間隙過大還會使起重機支腿產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力進而引起應(yīng)力集中，影響起重機整體的穩(wěn)定性和正常使用。

②開式齒輪裝配精度不高直接影響齒輪嚙合重合度，輪齒嚙合過深會產(chǎn)生“咬齒”，在起重機帶載荷運行情況下，由于過載和摩擦力過大，使齒面產(chǎn)生塑性變形；輪齒嚙合過淺，當(dāng)輪齒根部交變彎曲應(yīng)力超過疲勞極限時，輪齒根部產(chǎn)生疲勞裂紋且逐漸擴展，導(dǎo)致輪齒疲勞斷裂。在通用門式起重機的大車運行機構(gòu)中通常采用開式齒輪傳動，若有一側(cè)支腿開式齒輪出現(xiàn)輪齒折斷，勢必導(dǎo)致兩側(cè)支腿運行不同步，使起重機的支腿產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過其屈服極限時，使得起重機的主要受力結(jié)構(gòu)件變形，甚至出現(xiàn)起重機垮塌事故。

③SC型施工升降機主要應(yīng)用于建筑施工與維修，采用齒輪-齒條傳動，使吊籠作垂直或傾斜運動，用于輸送人員和物料的機械。由于齒條安裝于高空當(dāng)中，若出現(xiàn)輪齒斷裂，則不易被操作人員及時發(fā)現(xiàn)，勢必導(dǎo)致施工升降機吊籠墜落事故的發(fā)生。而施工升降機上的齒輪-齒條傳動對運動精度要求較低，即對齒輪的齒廓曲線準(zhǔn)確性要求較低，因而對因點蝕剝離、磨損等造成的齒廓曲線的改變要求也較低。因此，斷齒可能釀成施工升降機或人身傷亡事故，所以要把斷齒和引起斷齒的因素作為安全技術(shù)檢驗的重點。

4 結(jié)語

齒輪傳動是機械傳動中最常見的傳動形式之一，而開式齒輪傳動被廣泛應(yīng)用在起重機的行走機構(gòu)上，其失效勢必對起重機的安全運行構(gòu)成潛在威脅甚至造成事故。引起開式齒輪傳動失效的原因有很多，本文主要對引起起重機開式齒輪傳動的失效模式進行了分析，著重分析了從安裝、使用的工作環(huán)境和維修保養(yǎng)等環(huán)節(jié)的不合理可能造成開式齒輪傳動的失效。因此，起重機開式齒輪傳動失效模式的原因分析對起重機的安全運行具有不容忽視的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]王福綿.起重機械技術(shù)檢驗[M].北京：學(xué)苑出版社，2000.

[2]王黎欽，陳鐵鳴.機械設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2015.

[3]陳南平，沈萬慈.機械零件失效分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.