流動(dòng)式起重機(jī)分動(dòng)箱40CrMn齒輪失效分析與研究

楊賀

（大慶多田野進(jìn)口吊車大修廠，黑龍江 大慶 163000）

1 試驗(yàn)方法

動(dòng)力單元和運(yùn)行執(zhí)行單元之間的傳遞部分是傳遞箱。該傳輸盒具有傳輸功率高、傳輸速率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。分動(dòng)箱廣泛應(yīng)用于起重機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)等工程設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用前景。齒輪在動(dòng)力系統(tǒng)中是重要的組成部分，一旦分動(dòng)箱出現(xiàn)故障；會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞效率降低，設(shè)備的作業(yè)性能也降低，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的后果，就是整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)路徑崩塌，設(shè)備無(wú)法進(jìn)行工作，甚至可能會(huì)造成比較嚴(yán)重的工作事故。以下對(duì)分動(dòng)箱內(nèi)齒輪出現(xiàn)的失效形式進(jìn)行了研究和分析，以40CrMn齒輪為例，將40CrMn齒輪的原料、表面硬度、金相組織都分別進(jìn)行了檢測(cè)。針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決方式，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期為同類型分動(dòng)箱設(shè)計(jì)提供一定的參考。

（1）傳動(dòng)系統(tǒng)組成。移動(dòng)起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)理主要由吊裝、伸縮、振幅變化、旋轉(zhuǎn)等幾個(gè)部分組成。起重機(jī)工作時(shí)，利用傳遞箱對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理、公平的分配，從而實(shí)現(xiàn)吊裝作業(yè)的運(yùn)行要求。機(jī)械液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，采用開(kāi)放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)，小型載重汽車起重機(jī)通常采用換向閥控制的開(kāi)放系統(tǒng)，這樣做的目的是滿足前后運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)的要求，重量級(jí)的起重機(jī)一般采用的是封閉式系統(tǒng)，而封閉式系統(tǒng)是靠雙向變量液壓泵來(lái)改變液壓油在油道中的位置和流動(dòng)方向，這樣可以使變頻器快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變，達(dá)到起重機(jī)所需要的條件。這個(gè)控制方式體現(xiàn)出液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)。起重機(jī)轉(zhuǎn)箱采用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為封閉式齒輪傳動(dòng)。為了應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)，選擇單輸入和三軸輸出。傳輸箱的輸入軸是通過(guò)將通用傳動(dòng)軸與電源單元連接而形成的。傳輸箱中的齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)將電源轉(zhuǎn)送到三個(gè)液壓泵組上，這三個(gè)液壓泵組是由三輸出軸進(jìn)行連接的，液壓系統(tǒng)接收控制器的命令進(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，然后完成相關(guān)的后續(xù)工作，為起重作業(yè)的完成提供了一個(gè)位置。所需的功率是整個(gè)傳輸系統(tǒng)的傳輸路徑。起重機(jī)由液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，配備各種液壓裝置。因此，如果不嚴(yán)格遵守操作和維護(hù)規(guī)則，不僅不可能充分發(fā)揮其應(yīng)有的性能，而且還要縮短機(jī)器零件的使用壽命。因此，在進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)，我們必須遵守下列事項(xiàng)，每一次每隔一年（或工作滿2000小時(shí)）更換所有液壓油（如果油沒(méi)有變質(zhì)，可以適當(dāng)延長(zhǎng)換油周期）。當(dāng)起重機(jī)在特別惡劣的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)相應(yīng)縮短換油周期。液壓系統(tǒng)的各種閥在出廠前都經(jīng)過(guò)了充分的測(cè)試，壓力和流量都經(jīng)過(guò)了調(diào)整。

（2）齒輪失效原因的檢測(cè)。要想保證齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，就需要保證齒輪的檢測(cè)這個(gè)環(huán)節(jié)，可以說(shuō)這個(gè)環(huán)節(jié)是核心部分，在產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)需要這個(gè)環(huán)節(jié)作為前提，檢測(cè)的結(jié)果也可以反映出產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出分動(dòng)箱在使用一百小時(shí)前后時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常的響聲。測(cè)試的結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到700r/min，且液壓系統(tǒng)中處于空載的情況下，分動(dòng)箱此時(shí)產(chǎn)生的異常噪聲的值為120dB(A)，而正常工作時(shí)的噪聲值為108dB(A)，明顯比正常噪聲的值高，也就說(shuō)明此時(shí)起重機(jī)存在一定的故障。需要及時(shí)安排工作人員進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，并進(jìn)行一定的維修工作。檢測(cè)齒輪失效的原因可以從兩方面著手，分別是對(duì)齒輪輪齒的檢測(cè)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的分析。

齒輪輪齒檢測(cè)中，需要對(duì)齒輪的材料、硬度、金相組織分別進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果推測(cè)齒輪不能工作的原因。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推斷了該齒輪不能工作的原因。在潤(rùn)滑系統(tǒng)的分析過(guò)程中，分析潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑方式和使用方法，無(wú)論使用不當(dāng)還是潤(rùn)滑油使用過(guò)度或過(guò)少，都不可能達(dá)到理想的潤(rùn)滑效果。因此，我們必須分析推斷出潤(rùn)滑系統(tǒng)的合理性，不斷改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)，提高起重機(jī)的效率。

本文中分動(dòng)箱齒輪的材料為40CrMn，要經(jīng)過(guò)滲碳、淬火，然后對(duì)其進(jìn)行高溫回火。利用線切割的方法，對(duì)中心太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行取樣。將取得的樣本進(jìn)行成分分析、分析硬度和組織，通過(guò)CX—9800光譜儀、DM2700金相顯微鏡、HVD—10MP數(shù)顯維氏硬度計(jì)和HRS—150洛氏硬度計(jì)等儀器。

2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）失效形式判斷。當(dāng)傳動(dòng)箱打開(kāi)時(shí)，就會(huì)看到太陽(yáng)齒輪和行星齒輪的磨損程度不同。其中，太陽(yáng)輪的磨損最為嚴(yán)重，齒輪變形嚴(yán)重，無(wú)法操作。而且在分動(dòng)箱內(nèi)可以看到有鐵屑的存在，且這些鐵屑數(shù)量較多。雖然有鐵屑的存在，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輪齒有斷裂的情況，齒輪仍然可以滿足使用要求。與此同時(shí)，行星輪齒面也存在變形的現(xiàn)象，只不過(guò)與太陽(yáng)輪的磨損情況相比，行星輪齒的齒面磨損比較弱。起重機(jī)動(dòng)箱采用的是閉式齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。造成齒面磨損的原因有多種。有的可能是因?yàn)闈?rùn)滑油中有比較硬的顆粒而造成齒面的磨損，還有的可能是因?yàn)闈?rùn)滑油使用過(guò)多或過(guò)少?zèng)]有形成有效的高壓油膜，還有的可能是因?yàn)辇X面長(zhǎng)時(shí)間的接受壓力造成疲勞點(diǎn)蝕。齒面發(fā)生形變，可能是發(fā)生碰撞或者承載的重量過(guò)高，超過(guò)了齒面的承受能力，以至于齒面發(fā)生了一定程度的變形。

（2）齒輪檢測(cè)結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)行星輪和中心太陽(yáng)輪材料的成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，行星輪的材料符合規(guī)定的化學(xué)成分的要求，而中心太陽(yáng)輪中碳元素的含量低于規(guī)定的含量，對(duì)于其他金屬元素的含量，行星輪和中心太陽(yáng)輪都符合規(guī)定的含量。對(duì)行星輪和中心太陽(yáng)輪進(jìn)行硬度分析。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得知，行星輪的有效硬化層厚度低于標(biāo)準(zhǔn)值，為0.35mm。而硬度梯度最大為HV80/0.1mm。硬度是在逐漸下降，且速度比較快，不能滿足所需要求，造成齒面有磨損的情況。對(duì)于中心太陽(yáng)輪來(lái)說(shuō)基本上全都低于標(biāo)準(zhǔn)值，根本就不存在有效硬化層。

行星輪的不同部分的結(jié)構(gòu)可以分析。行星齒輪表面的滲碳層由馬氏體、碳化物和少量的奧氏體組成，其中發(fā)生脫碳。該組織的核心部分主要由火索氏和鐵氧體兩部分組成。根據(jù)行星齒輪的硬度測(cè)試結(jié)果，行星齒輪的表面硬度為HRC59，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)值，但還不完善。它接近標(biāo)準(zhǔn)值的下限。其核心部件硬度為HRC37，并符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。對(duì)太陽(yáng)輪齒根的金相組織進(jìn)行了分析。其金相組織可分為鐵素體和珠光體兩部分。中心太陽(yáng)輪的核心硬度為HRC29，與標(biāo)準(zhǔn)值相比，中心太陽(yáng)輪的芯部硬度低，導(dǎo)致齒面磨損嚴(yán)重。

分動(dòng)箱在安裝時(shí)需要注意的是，采用水平安裝方式，在水平面上可以看見(jiàn)中心、太陽(yáng)、行星輪，其中行星輪有三個(gè)，其余都是一個(gè)。潤(rùn)滑方式為浸油潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油加到齒輪的1/3高度停止。當(dāng)傳動(dòng)箱齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪齒齒處的潤(rùn)滑油在力的作用下高速飛出，這就是切向力。當(dāng)齒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)形成空氣流動(dòng)，屬于高壓氣流，并阻礙潤(rùn)滑油的流動(dòng)。因此，齒輪的潤(rùn)滑效果還不夠完善，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。處于邊界上的齒輪潤(rùn)滑條件會(huì)比較好，處于中心位置的比較差，所以行星輪位于邊界，所處的環(huán)境比較好，太陽(yáng)輪位于中心，潤(rùn)滑油可能會(huì)得不到及時(shí)的流動(dòng)。因此，在中央太陽(yáng)齒輪齒面連接處很難形成高壓油膜。齒輪經(jīng)常會(huì)被摩擦。不斷的摩擦?xí)箿囟壬撸瑴囟炔荒芗皶r(shí)冷卻，種種原因會(huì)引起一種反應(yīng)，這種反應(yīng)被稱為退火效應(yīng)。一旦產(chǎn)生退火效應(yīng)，就會(huì)使馬氏體被分解，此時(shí)的滲透層也會(huì)發(fā)生變化，少量的碳灰脫落，造成齒面的硬度變?nèi)?，引起齒面磨損、點(diǎn)蝕和滲碳，同時(shí)鐵屑也會(huì)引起齒輪磨損。經(jīng)常磨損導(dǎo)致最后一個(gè)中央太陽(yáng)輪不能工作。在工作中，中心太陽(yáng)齒輪的單齒輪的齒數(shù)和頻率高于行星齒輪的齒數(shù)，是行星齒輪的單齒輪的三倍。

（3）改進(jìn)與驗(yàn)證。改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的方法主要有兩種，一種是增加潤(rùn)滑油的使用量，增加潤(rùn)滑和散熱的功能，另一種是將原有的油浴潤(rùn)滑改為被動(dòng)潤(rùn)滑，變成主動(dòng)潤(rùn)滑，可以在太陽(yáng)輪軸的中心與外部連接。齒輪泵，壓力對(duì)傳動(dòng)齒輪，強(qiáng)制潤(rùn)滑。由于空間布局的原因。采用第二種方案后，移動(dòng)箱體周圍空間發(fā)生了較大變化，操作不便，所以實(shí)驗(yàn)采用第一種方案。實(shí)驗(yàn)中選擇的傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)與汽車傳動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)相似。根據(jù)一系列的規(guī)定，傳動(dòng)箱的軸速為1700r/min，輸入軸扭矩為150Nm，輸出軸周期為4?10_5。實(shí)驗(yàn)是在這種條件下進(jìn)行的。當(dāng)潤(rùn)滑油加入到齒輪高度的四分之三時(shí)，傳動(dòng)齒輪的使用壽命達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。此時(shí)，齒輪的齒形和效果較好，沒(méi)有出現(xiàn)一些齒輪破損等不良現(xiàn)象，在潤(rùn)滑油中沒(méi)有大量的鐵屑。

3 結(jié)語(yǔ)

齒輪失效的主要原因可能是表面硬度低。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因主要是齒輪輪齒組織的原料是珠光體和鐵素體。在工作過(guò)程中齒輪輪齒表面可能會(huì)發(fā)生退火效應(yīng)和脫碳，通過(guò)對(duì)該齒輪的分析研究，得出了該齒輪失效的主要原因：行星齒輪有效硬化層厚度低于標(biāo)準(zhǔn)值0.35mm。最大硬度梯度為HV80/0.1mm。硬度下降的速度比較快，不能滿足所需要求，造成齒面有磨損的情況，而對(duì)于中心太陽(yáng)輪來(lái)說(shuō)印度基本上全都低于標(biāo)準(zhǔn)值，根本就不存在有效硬化層；行星輪表面有脫碳的現(xiàn)象，中心太陽(yáng)輪齒輪硬度比較低等等。