履帶收獲機(jī)變速箱點(diǎn)蝕、打齒故障分析

周良田

摘要：指出了履帶谷物收獲機(jī)經(jīng)常在水田、爛泥田作業(yè)，變速箱使用工況惡劣，負(fù)載大，使用400 h后故障率偏高，主要失效模式是換擋變速齒輪、擋位齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕、打齒的現(xiàn)象。結(jié)合變速箱市場(chǎng)故障，經(jīng)過廠內(nèi)各種方案驗(yàn)證、排除，發(fā)現(xiàn)履帶收獲機(jī)打齒的主要原因有兩個(gè)：一是嚙合寬度只占齒輪寬度的59%;二是撥叉在換擋滑桿上的鎖定力不足，在收獲機(jī)行駛阻力較大時(shí)易脫擋，而齒輪在滑脫的瞬間因接觸區(qū)極小而造成齒邊緣壓變形，造成接觸區(qū)進(jìn)一步減小，從而使得齒面承載力進(jìn)一步下降，從而造成點(diǎn)蝕、打齒。為此，提出了改變齒輪倒角，以增加齒輪接觸寬度;加大換擋滑桿撥叉鎖定力，以防止脫擋，結(jié)果表明：大幅度提高了作業(yè)過程齒輪承載力，消除了脫擋瞬間造成齒面壓潰問題，經(jīng)廠內(nèi)、市場(chǎng)驗(yàn)證，變速箱點(diǎn)蝕、打齒故障率大幅度下降。

關(guān)鍵詞：履帶谷物收獲機(jī);變速箱;嚙合寬度;脫擋;點(diǎn)蝕;打齒

中圖分類號(hào)：S225

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0230-03

1?引言

水稻是中國(guó)的主糧之一，在中國(guó)水稻收獲的機(jī)械化率已達(dá)到97%，主要使用履帶谷物收獲機(jī)，該產(chǎn)品每年總銷量約5萬臺(tái)，由于水稻收獲時(shí)，經(jīng)常在水田、爛泥田作業(yè)，使得變速箱使用工況惡劣，負(fù)載大。加之收獲機(jī)近年來持續(xù)大型化，由2003年以前的喂入量1.5kg/s升級(jí)到6.0kg/s，整機(jī)重量不斷提高，使得變速箱隨同整機(jī)不斷升級(jí)、加強(qiáng)。

經(jīng)過15年的政府補(bǔ)貼拉動(dòng)，履帶谷物收獲機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)市場(chǎng)飽有量持續(xù)增大，國(guó)內(nèi)一般非跨區(qū)用戶，一年作業(yè)時(shí)間在300 h左右，對(duì)于質(zhì)保期一年的用戶，其故障率較低。但對(duì)于某型號(hào)谷物收獲機(jī)所配的變速箱（換擋方式：滑移齒輪），在400 h以后，該變速箱的換擋變速齒輪、擋位齒輪故障率開始顯得比較突出，主要故障模式是齒面點(diǎn)蝕、打齒。

隨著國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)越來越激烈，好多農(nóng)機(jī)企業(yè)將變速箱質(zhì)保期延長(zhǎng)為兩年，此問題將成為兩年三包期內(nèi)外部損失增加、用戶不滿的重要因素，急需解決。

2?問題現(xiàn)象及原因分析

2.1?變速箱齒輪故障率

通過市場(chǎng)服務(wù)人員檢修變速箱的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，變速箱齒輪故障率如表1所示。

2.2故障現(xiàn)象確認(rèn)

主要兩種失效模式：第一種是“一擋、三擋齒輪端部打齒”，第二種是“二擋齒輪齒面早期點(diǎn)蝕、后期整體打齒”，各擋齒輪傳遞關(guān)系見圖1。

從圖2可以看出，一、三擋不是整體打齒，而是端部打齒，所有一、三擋齒輪，以及與之嚙合的換擋變速齒輪均有此趨勢(shì)（或輕或重）。

從圖3可以看出，二擋嚙合的一對(duì)齒輪齒寬只嚙合了2/3左右（通過測(cè)量嚙合印痕，嚙合比例只占齒寬的59%）。

2.3?原因分析

首先，對(duì)各齒輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

2011版化學(xué)工業(yè)出版社《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3卷，第16篇“齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算”，計(jì)算確認(rèn)二擋的一對(duì)嚙合齒輪安全系數(shù)為2.04、2.16，三擋的一對(duì)嚙合齒輪安全系數(shù)為1.77、1.83，一擋安全系數(shù)更高，理論上強(qiáng)度是夠的。

其次：從掛擋是否到位分析。從圖2中看出，三擋齒輪打齒不是整個(gè)齒面打齒，是從一側(cè)打齒，說明不是整體強(qiáng)度問題，而是嚙合不到位造成。無論從理論分析，還是掛擋試驗(yàn)，確認(rèn)擋位是已掛到位的，擋位感明顯，且通過拆檢確認(rèn)“掛擋后換擋齒輪、擋位齒輪均在正確位置”。

第三：可能存在脫擋情況。當(dāng)脫擋時(shí)，齒輪在滑脫的瞬間因接觸區(qū)極小而造成齒邊緣壓變形，造成接觸區(qū)進(jìn)一步減小，從而使得齒面承載力進(jìn)一步下降，從而造成點(diǎn)蝕、打齒。

針對(duì)脫擋問題，經(jīng)牽引試驗(yàn)（圖4、圖5），發(fā)現(xiàn)一、三擋的確易脫擋（二擋不脫擋），從圖6可以看出，脫擋過程導(dǎo)致了齒輪端部已擠壓變形（該變速箱是剛裝機(jī)工作不到0.5 h，包括牽引試驗(yàn)時(shí)間），此種情況下，變形齒輪的齒面嚙合寬度至少下降了25%，這也證實(shí)了脫擋是導(dǎo)致一、三擋打齒的主要原因，需要解決易脫擋問題。

第四：圖3已證實(shí)二擋的嚙合印痕只占齒寬的59%，說明按理論齒寬計(jì)算安全系數(shù)是不合理的，如果按實(shí)際59%嚙合齒寬重新計(jì)算二擋的一對(duì)齒輪的安全系數(shù)，安全系數(shù)分別為1.20、1.27（實(shí)際的安全系數(shù)偏低）。

經(jīng)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)二擋嚙合只占齒寬的59%原因是：齒端部有90°倒角（為了掛擋順利），從圖3可以看出這對(duì)嚙合齒輪，上部齒輪1是左側(cè)倒角、下部齒輪2是右側(cè)倒角，倒角部分不能與另一個(gè)輪齒嚙合，導(dǎo)致只有中間59%齒面嚙合。需要通過減小倒角，實(shí)現(xiàn)增加嚙合寬度。

總之，“易脫擋”是導(dǎo)致一、三擋打齒主要原因;“齒輪端面倒角過大，導(dǎo)致嚙合寬度不足”是導(dǎo)致二擋點(diǎn)蝕、打齒的主要原因。

3?改進(jìn)與驗(yàn)證

3.1?解決易脫擋問題

通過對(duì)撥叉總成中的彈簧、鋼球選型，調(diào)整撥叉在滑桿上的定位力，使得撥叉軸向換擋力原來的200 N增加到500～700 N（圖4、圖5為牽引力測(cè)試，圖7為滑桿軸向換擋力檢測(cè)）。

通過測(cè)試，各擋位不脫擋;證實(shí)拖拉機(jī)牽引力再大，也不會(huì)導(dǎo)致變速箱超載（表2）。

3.2?通過齒輪端面倒角改進(jìn)，增加嚙合寬度

檔位齒輪端面倒尖角角度由90°改為110°（圖8），減小倒角長(zhǎng)度，增加齒面嚙合長(zhǎng)度，嚙合寬度比由59%提高到80%。

二擋一對(duì)齒輪安全系數(shù)由1.20、1.27分別提高到1.63、1.73。

3.3?田間作業(yè)驗(yàn)證

將為驗(yàn)證效果，安排了兩臺(tái)改進(jìn)后的變速箱進(jìn)行田間試驗(yàn)，跟蹤驗(yàn)證。經(jīng)跟蹤作業(yè)500 h，然后拆解觀察，無點(diǎn)蝕、打齒跡象。自2020年3月份已批量投產(chǎn)體現(xiàn)，工作至今，無新點(diǎn)蝕、打齒現(xiàn)象發(fā)生。

后續(xù)，還要進(jìn)一步跟蹤改進(jìn)效果。

4?結(jié)語

該履帶收獲機(jī)的變速箱是滑移齒輪變速箱，性價(jià)比高、社會(huì)保有量大，維修方便，深受用戶喜愛，本次分析改進(jìn)，具有重要意義。

本次問題改進(jìn)過程中，一波三折，是一項(xiàng)典型的理論與實(shí)踐結(jié)合的案例：從理論上計(jì)算，這三對(duì)齒輪嚙合強(qiáng)度都沒有問題，安全系數(shù)足夠高;但從實(shí)踐上證實(shí)，理論設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周全、有漏洞。

（1）一、三擋沒有考慮脫擋瞬間造成齒面壓潰問題：齒輪在滑脫的瞬間因接觸區(qū)極小而造成齒邊緣壓變潰變形，造成接觸區(qū)進(jìn)一步減小，從而使得齒面承載力進(jìn)一步下降，進(jìn)而造成點(diǎn)蝕、打齒。改進(jìn)對(duì)策為：通過加大換擋滑桿撥叉鎖定力，以防止脫擋。

（2）二擋沒有考慮齒輪端面倒角導(dǎo)致嚙合寬度不足。通過改變齒輪倒角，以增加齒輪接觸寬度（由59%提高到80%），大幅度提高了二擋作業(yè)過程齒輪承載力。

通過本次改進(jìn)，將變速箱由400 h左右出現(xiàn)較大比例的點(diǎn)蝕、打齒，可以提高到800 h以上，滿足2年質(zhì)量三包的可靠性要求。

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