減速機行星齒輪的斷齒分析

馮罡

摘 ?要：隨著經(jīng)濟和各行各業(yè)的快速發(fā)展，行星齒輪減速機作為輥壓機的主要備件有不可替代的作用。行星齒輪減速機具有重量輕、體積小、傳動比范圍大、效率高、運轉平穩(wěn)、噪聲低、適應性強等特點，其運行狀態(tài)直接關系到生產效率的高低，軸承或齒輪一旦損壞將對生產線的連續(xù)運轉產生重大影響，做好行星齒輪減速機的維護保養(yǎng)是輥壓機粉磨系統(tǒng)高效運轉的基礎保障。本文對行星齒輪減速機在使用和運行中的使用技巧進行探討，以延長其服役周期，減少故障率。

關鍵詞：斷齒;混晶;組織粗大;失效分析

引言

立磨行星齒輪主減速機是立磨運行的核心設備，巡檢發(fā)現(xiàn)一運行2000h的JLP330B行星齒輪減速機出現(xiàn)的偏載問題，分析減速機的二級平行斜齒輪副嚙合出現(xiàn)問題，分步驟排查出減速機的二級傳動部位，主動平行斜齒軸軸系和從動斜齒軸軸系中心線不平行，成功排除故障。

1減速箱崩齒原因

綜上，初步分析確定引發(fā)減速箱崩齒故障的原因如下：（1）該高速軸齒輪在設計時采用了齒、軸分離設計，且采用單鍵連接，在加工時也未過渡，造成齒輪與軸在傳動過程中在鍵槽位置應力集中。（2）齒輪體未能有較好的熱處理，其齒體內圈硬度過大，承受沖擊能力較差。（3）在設備選型時，選取的安全系數(shù)十分低，滾筒所需扭矩與減速箱額定扭矩基本一致，在皮帶機超負荷啟動或者長時間作業(yè)導致減速箱高溫運行過程中，造成超過減速箱額定扭矩的情況。

2斷口形貌

（1）宏觀形貌該行星齒輪的失效形式主要為一個輪齒沿著齒根完全斷裂，另外在斷裂輪齒附近有兩輪齒的齒頂出現(xiàn)小塊崩裂現(xiàn)象，這可能是斷裂輪齒失效后擠壓碰撞造成的。其余輪齒表面均完好，接觸區(qū)磨損正常，沒有明顯的機械加工缺陷。檢查齒面、齒根，未發(fā)現(xiàn)明顯的機械加工缺陷，齒根未見凸臺，齒部表面粗糙度符合技術要求。（2）斷口形貌特征及斷裂模式經(jīng)觀察，失效輪齒沿齒根部脆斷，斷口宏觀上沒有裂紋源，斷口附近無明顯的變形，斷面結構較粗，由此可見，該斷裂模式為一次性快速斷裂，而非疲勞斷裂。

3行星齒輪減速機的處理方法

3.1齒輪軸選型及齒輪硬度分析

減速箱齒輪嚙合過程中，既有滾動又有滑動，齒面承受高接觸應力，齒根承受高彎曲應力，這就要求制作齒輪的材料需要同時具備兩種特性：一是齒輪表面具有足夠的硬度，二是齒輪芯部要有足夠的強度和韌性。一般而言，高負載齒輪的制作多采用鍛鋼作為胚料，按照齒坯處理方法和切齒工藝，制造齒輪的鋼材及熱處理方法分為2大類：（1）齒面硬度HB≤350，用中碳鋼45號鋼、50號鋼或中碳合金鋼40Gr、40MnB、35SiMn等進行調質或正火處理，終切齒可在熱處理后進行。調質后硬度不高（HB=220～250），材料的綜合性能（機械強度和沖右韌性等）比較好，適用于低速、中速和中等平穩(wěn)載荷下工作。（2）齒面硬度HB≥350，用中碳鋼和中碳合金鋼進行表面淬火（齒面硬度HRG=50～55），或者用低碳鋼和低碳合金鋼進行表面摻碳淬火處理（齒面硬度HRG=58～63）。處理后齒面硬度高，齒芯韌性好，承載能力強，耐沖擊，但加工難度大、成本高。采用硬度儀對齒輪表面以及內圈鍵槽位置進行多點測試，平均數(shù)據(jù)分別是HRC45和HRC43，內外硬度基本一致。

3.2傳動部位主動斜齒軸及從動齒輪的齒面嚙合

由于減速機二級傳動處主動斜齒輪和從動齒輪的齒面嚙合區(qū)域偏齒面的下半部分，嚙合區(qū)域分散不集中，齒面嚙合接觸斑點在齒面的長度方向上占比小于40%，正常齒面嚙合接觸斑點在齒面的長度方向上占比不低于70%，由此得出齒面嚙合已出現(xiàn)問題。當前首要工作是對主動和從動斜齒輪副齒面的嚙合情況進行有效調整，所以考慮在減速機腔體內部將主動斜齒輪軸頂部調整墊片拆出，重新調整墊片的尺寸，從而使二級傳動部位主動斜齒軸及從動齒輪的相對位置發(fā)生變化，最終實現(xiàn)整個二級平行斜齒輪副的齒面嚙合發(fā)生變化。但是現(xiàn)實條件下，在減速機箱體內部，受減速機內部腔體空間設計限制，整個調整墊片的緊固螺栓無法拆卸，此方案未能成功實施。

3.3熱處理質量

失效行星齒輪的表面熱處理質量較好，沒有異常。但是次表面和心部馬氏體組織局部較粗大，馬氏體針較長，馬氏體粗大容易在次生及初生馬氏體間形成微裂紋，降低表面沖擊韌度。齒輪次表面及心部實際晶粒度為2.0-9.5級，出現(xiàn)混晶，這與局部馬氏體粗大相符?；炀У拇嬖诖蟠蠼档土她X輪的強韌性，一旦遇到強烈沖擊，將出現(xiàn)瞬時斷裂，從而使齒輪早期失效。為了尋找混晶產生的原因，先將斷齒混晶試塊進行860℃保溫2h后空冷，正火后得到的組織為較均勻的鐵素體+珠光體的平衡組織;然后加熱到930℃保溫5h水淬，用飽和苦味酸水溶液腐蝕后晶粒度8.5級，說明鋼錠為本質細晶粒鋼。由此說明，混晶的產生是因鋼錠鍛造完成后未進行細化晶粒的正火或正火不充分導致產品熱處理后組織遺傳而造成的。鍛造后正火可細化晶粒，獲得比較均勻的組織和性能，不僅可為后續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，還可消除粗大組織等某些熱處理缺陷。因此，為了改善金屬材料的切削加工性能、熱處理工藝性能，消除某些缺陷，建議進行充分適宜的正火處理。

3.4日常維護的重點和監(jiān)控方法

輥壓機行星減速機日常維護、定期保養(yǎng)和損壞的早期發(fā)現(xiàn)非常重要，制定日常維護制度，定期請專業(yè)維護單位進行保養(yǎng)。每周兩次觀察減速機海底磁力棒螺栓和稀油站回油處是否有金屬鐵屑和粉末，一旦發(fā)現(xiàn)油路中有金屬鐵屑和粉末而且連續(xù)觀察還呈增長趨勢，則該減速機需立即停機檢查，排除軸承和齒輪故障。一旦減速機出現(xiàn)振動和異響，需馬上停機檢查減速機內部是否出現(xiàn)故障，未經(jīng)過故障復核不得再次開機，以免造成重大設備故障。輥壓機行星減速機測溫處一般設置在高速軸處，一旦減速機高速軸處出現(xiàn)高溫需檢查進油量大小、潤滑過濾器是否堵塞和減速機與電動機同軸性、萬向聯(lián)軸器振動及是否存在軸承跑外圈、軸承游隙過大過小等問題。建立完備的有關設備的安裝、操作使用、維護、備品備件、零部件和維修作業(yè)標準數(shù)據(jù)庫，一旦設備出現(xiàn)故障，可以及時調閱設備數(shù)據(jù)庫查詢設備及故障部件的型號規(guī)格參數(shù)以及庫存情況，可在最短時間內對設備部件進行更換及故障修復。在設備的生命周期內所有改變的數(shù)據(jù)精心準確記錄，并且可以查詢，包括文檔、圖像、維護人員、更新配件的數(shù)量和型號等。

結語

為保障立磨行星齒輪減速機的安全無故障運行，我們實施了上述一系列措施，整個過程從發(fā)現(xiàn)問題、逐項排查原因到找到問題源頭，最終到解決問題，經(jīng)歷了諸多的變數(shù)和考驗。同時我們對立磨行星齒輪減速機的設備結構有了更加深層次的理解，逐步掌握了立磨減速機高速軸軸向間隙測定、螺旋傘齒副嚙合側隙測量、平行斜齒輪副齒面嚙合調整等裝配技術方法，為日后分析處理立磨行星減速機故障打下堅實的技術基礎。減速箱的崩齒故障，列舉出有可能引起減速箱崩齒損壞的因素并逐一進行論證與分析，最后得出引發(fā)減速箱崩齒的可能原因為軸鍵設計存在應力集中及齒輪體熱處理不當。

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