帶式輸送機(jī)減速箱崩齒故障原因探析

李永均

廣州港股份有限公司

1 引言

減速箱是帶式輸送機(jī)的重要傳動部件。某煤炭碼頭的帶式輸送機(jī)帶寬1 400 mm，效率為2 000 t/h，采用平行軸式三級斜齒輪減速箱進(jìn)行驅(qū)動，皮帶機(jī)電機(jī)功率220 kW，輸送帶帶速3.15 m/s；減速箱機(jī)械功率385 kW，輸出扭矩64 kNm。其運(yùn)行時(shí)長約4 000 h時(shí)出現(xiàn)高速軸崩齒輪故障。拆解發(fā)現(xiàn)，高速軸小齒輪從傳動鍵槽位置崩掉1/6齒輪，呈整體掉落，斷口基本與軸方向一致，斷口粗糙；其他齒輪未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕等其他異?，F(xiàn)象。

2 原因探析

2.1 功率校核

減速箱的功率選型是否正確關(guān)乎整個(gè)設(shè)備的使用情況。設(shè)計(jì)人員需要充分了解現(xiàn)場的各類參數(shù)，如每天工作小時(shí)數(shù)、每小時(shí)啟停次數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)周期、可靠度要求、環(huán)境問題、現(xiàn)場散熱條件、使用系數(shù)等，并根據(jù)以上參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。規(guī)格的選擇要滿足機(jī)械功率、輸出扭矩、熱平衡校核等條件。

帶式輸送機(jī)的減速箱一般由設(shè)計(jì)人員根據(jù)要求修正參數(shù)，按照機(jī)械功率和輸出轉(zhuǎn)矩選擇規(guī)格型號。另外，減速箱的熱功率也是一個(gè)重要參數(shù)，許用熱功率是在特定工況條件下(一般為環(huán)境溫度20℃，每小時(shí)100%連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn))，按照潤滑油允許的最高平衡溫度(一般為85℃)確定的。

根據(jù)帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，按照DTII設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核值滾筒軸功率為68 kNm，略超過在用的減速箱額定輸出軸功率64 kNm。

2.2 減速箱使用環(huán)境及維護(hù)保養(yǎng)分析

除了選型是否正確外，減速箱的使用環(huán)境及維護(hù)保養(yǎng)也影響設(shè)備的使用壽命。

經(jīng)現(xiàn)場排查，該減速箱每月進(jìn)行箱體除塵保養(yǎng)，潤滑油按運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行定期更換，潤滑油型號無誤；該減速箱所服務(wù)的帶式輸送機(jī)為連續(xù)24 h運(yùn)轉(zhuǎn)制，平均利用率約45%，為斗輪式堆取料機(jī)配套地面皮帶，單向運(yùn)行；減速箱露天工作，工作溫度為5～37℃。以上信息基本符合減速箱維保要求，暫無明顯問題。

該皮帶機(jī)作業(yè)流量一般為1 500～2 000 t/h，偶爾會達(dá)到2 300 t/h。另外，皮帶機(jī)除正常的運(yùn)轉(zhuǎn)外，還存在故障時(shí)滿負(fù)荷啟動的情況：當(dāng)在連續(xù)作業(yè)過程中，前方設(shè)備故障時(shí)，輸送機(jī)上存在較多煤炭，這時(shí)候需要滿負(fù)荷啟動，有時(shí)候還需要多次啟動，才能將皮帶上的煤炭送走。經(jīng)現(xiàn)場觀察及司機(jī)反饋，該皮帶機(jī)是在連續(xù)作業(yè)6 h后出現(xiàn)打滑故障停機(jī)，現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備電機(jī)及減速箱輸入軸能轉(zhuǎn)動，減速箱輸出軸不轉(zhuǎn)動。

2.3 潤滑油分析

潤滑油是減速箱最重要的組成部分之一，它不僅起到了齒輪、軸承的潤滑與冷卻作用，還可清潔摩擦表面的金屬粉末及其他微粒，隔絕空氣及酸性物質(zhì)對零件的腐蝕，并起到減震隔音的作用。潤滑油的選型不當(dāng)、油量過多或者過少、粘度降低、雜質(zhì)變多都會影響減速箱壽命，或者產(chǎn)生故障。對于運(yùn)行工況惡劣的減速箱，需重點(diǎn)檢查其透氣孔，避免透氣孔堵塞導(dǎo)致箱體內(nèi)部油壓過高而發(fā)生漏油、損壞油封、粉塵進(jìn)入箱體等故障。

該皮帶機(jī)的減速箱潤滑油采用減速箱廠家所要求的VG320礦物油，現(xiàn)場觀察潤滑油量正常，油品粘度尚可，無乳化、焦化的情況；經(jīng)化驗(yàn)檢測，其粘度和水分指標(biāo)合格。但據(jù)運(yùn)行反饋情況，減速箱運(yùn)行時(shí)溫度較高，達(dá)到78℃左右，此溫度或會導(dǎo)致減速箱熱功率降低，長期高溫運(yùn)行容易導(dǎo)致潤滑油粘度降低、焦化變質(zhì)。

2.4 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(yīng)力，齒根承受高彎曲應(yīng)力，這就要求制作齒輪的材料需要同時(shí)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(qiáng)度和韌性。

一般而言，高負(fù)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(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理，終切齒可在熱處理后進(jìn)行。調(diào)質(zhì)后硬度不高(HB=220～250)，材料的綜合性能(機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，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(nèi)圈鍵槽位置進(jìn)行多點(diǎn)測試，平均數(shù)據(jù)分別是HRC45和HRC43，內(nèi)外硬度基本一致。

2.5 齒輪設(shè)計(jì)因素分析

減速箱傳動齒輪一般分成2種設(shè)計(jì)；一種是一體齒輪軸，齒輪與軸一體成型，這種設(shè)計(jì)可以避免軸與齒輪之間的加工配合，減少配合上的缺陷，但這種設(shè)計(jì)對加工工藝要求較高，因此價(jià)格也較高；另外一種是齒輪體與傳動軸為兩個(gè)零件，通過鍵槽或者其他形式進(jìn)行連接，這種設(shè)計(jì)一般用于較大的齒輪與傳動軸配合。由于齒輪體與傳動軸之間需要傳動扭矩，因此一般都是通過鍵槽連接，而鍵槽位置也是齒輪體的一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，如果設(shè)計(jì)不合理或者熱處理不合理，容易造成齒輪體在鍵槽位置開裂。

本案例中，齒輪體是通過單鍵與高速傳動軸連接在一起，而斷口位置與鍵槽位置相近，可以看出，齒輪體開裂的故障與鍵槽位置的關(guān)系較大。

2.6 減速箱輸入輸出軸對中情況分析

減速箱與電機(jī)、減速箱與滾筒之間的對中，必須嚴(yán)格按照聯(lián)軸器所要求的偏差進(jìn)行。對中不良，將產(chǎn)生軸向和徑向受力，對減速箱的軸承、油封、齒輪以及聯(lián)軸器本身都會產(chǎn)生較大的沖擊及影響，從而造成噪音震動明顯、溫度過高、漏油、齒輪點(diǎn)蝕或崩齒、軸承損壞、斷軸等各種惡性后果。

本案中的輸入聯(lián)軸器為LT9彈性套柱銷聯(lián)軸器，輸出軸聯(lián)軸器為GL14滾子鏈聯(lián)軸器，經(jīng)過事后測量，對中的情況滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 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(shè)計(jì)時(shí)采用了齒、軸分離設(shè)計(jì)，且采用單鍵連接，在加工時(shí)也未過渡，造成齒輪與軸在傳動過程中在鍵槽位置應(yīng)力集中。

(2)齒輪體未能有較好的熱處理，其齒體內(nèi)圈硬度過大，承受沖擊能力較差。

(3)在設(shè)備選型時(shí)，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(jī)超負(fù)荷啟動或者長時(shí)間作業(yè)導(dǎo)致減速箱高溫運(yùn)行過程中，造成超過減速箱額定扭矩的情況。

4 結(jié)語

減速箱設(shè)計(jì)及制造工藝的合理性，會較大地影響減速箱使用壽命。針對一減速箱的崩齒故障，列舉出有可能引起減速箱崩齒損壞的因素并逐一進(jìn)行論證與分析，最后得出引發(fā)減速箱崩齒的可能原因?yàn)檩S鍵設(shè)計(jì)存在應(yīng)力集中及齒輪體熱處理不當(dāng)。