某型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒失效原因分析

譚志行，張忠健

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

回轉(zhuǎn)支承是連接挖掘機(jī)底盤和上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)的重要部件，在工作過程中承受著軸向、徑向和傾覆載荷?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈齒輪與回轉(zhuǎn)減速機(jī)小齒輪嚙合以帶動(dòng)上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，其在工作中承受著沖擊和交變載荷。以某型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒故障為例，從輪齒強(qiáng)度、輪齒機(jī)械性能、滾道強(qiáng)度、側(cè)隙計(jì)算4個(gè)方面進(jìn)行分析，查找斷齒故障的根本原因。

1 問題描述

在某型挖掘機(jī)試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)卡滯和異響現(xiàn)象，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈齒輪發(fā)生斷齒，如圖1 所示。斷裂部從輪齒的上表面沿齒寬方向斷裂，斷裂面與輪齒上表面相交。斷裂的深度在30 ～ 45 mm之間，整圈均有分布。輪齒上端面中心部位有明顯凸起現(xiàn)象，凸起部位未淬火，相對(duì)輪齒兩側(cè)齒面淬火部分硬度低；同時(shí)輪齒齒面有明顯的磨痕，齒側(cè)上端面有肉眼可見的卷邊磨痕。對(duì)偶小齒輪有一齒發(fā)生斷裂，自上而下沿齒高方向遞減；其余輪齒上部有較深擠壓凹痕。從故障件現(xiàn)象進(jìn)行初步分析：回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈輪齒和回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒均為上部開始斷裂，從回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒上部擠壓凹痕看，斷齒先發(fā)生于回轉(zhuǎn)支承輪齒處。

圖1 回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)減速機(jī)故障件

2 斷齒失效分析

通過故障現(xiàn)象，為更好分析斷齒原因，通過魚骨圖識(shí)別可能原因，如圖2 所示。經(jīng)過初步篩選排查，確認(rèn)如下5 項(xiàng)斷齒故障原因進(jìn)行分析校核。

圖2 斷齒故障原因分析

2.1 機(jī)械性能

對(duì)故障件取樣進(jìn)行分析，其化學(xué)成分實(shí)測(cè)值如表1 數(shù)據(jù)；經(jīng)比對(duì)，符合所選合金鋼的材質(zhì)要求。對(duì)輪齒表面淬火淬硬度分布進(jìn)行檢測(cè)，其實(shí)測(cè)值如表2 所列，淬硬層深2.95 mm。根據(jù)“GB/T 2300-2011 回轉(zhuǎn)支承”中規(guī)定，需淬火齒輪的淬火部位的表面硬度為50 耀60 HRC，齒輪有效硬化層深度齒面處逸3.2 mm。將實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，輪齒表面硬度偏高，淬硬層深度偏小。過高表面硬度會(huì)使輪齒表面變脆，而淬硬層深度不足會(huì)降低輪齒的抗彎承載能力。同時(shí)對(duì)淬火組織進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)測(cè)評(píng)級(jí)為3 級(jí)，符合“JB/T 9204-2008 鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)”中3耀7 級(jí)規(guī)定。

表1 故障件化學(xué)成分檢測(cè)

表2 故障件表面淬火硬度分布

經(jīng)以上檢測(cè)分析，回轉(zhuǎn)支承輪齒化學(xué)成分和淬火組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但表面硬度偏大同時(shí)淬硬層深度偏小。

2.2 輪齒設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核

齒輪的許用圓周力計(jì)算公式如下：

式中：P 為回轉(zhuǎn)支承齒輪圓周切向許用力，kN；Kz=（z2/150）伊（依0.09），外齒取垣，內(nèi)齒取原；z2為大齒輪齒數(shù)；m 為模數(shù)，mm；b 為齒寬，mm；Fp為材料及熱處理系數(shù)（一般正火處理取8，調(diào)質(zhì)處理取6）。

回轉(zhuǎn)支承齒輪的圓周力計(jì)算：

式中：T 為回轉(zhuǎn)減速機(jī)輸出扭矩，N·m；z1為小齒輪齒數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，該回轉(zhuǎn)支承齒輪圓周力安全系數(shù)為1.28，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 滾道承載能力計(jì)算

在滾道承載能力不足情況下，將使回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)生較大的軸徑向偏移，從而惡化齒輪嚙合處的承載情況。滾道承載安全系數(shù):

式中：Co為額定靜容量，kN；Cp為額定靜容量，kN；D為滾道中心直徑，m；d 為鋼球公稱直徑，mm；Fa為軸向力，kN；M 為傾覆力矩，kN·m；Fr為徑向力，kN。

其中fs= 1.3 耀1.45。經(jīng)計(jì)算，該回轉(zhuǎn)支承滾道系數(shù)為1.31，計(jì)算值偏小。為進(jìn)一步驗(yàn)證齒輪斷齒是否與滾道承載系數(shù)偏小相關(guān)，對(duì)故障回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了拆解（圖3）。從內(nèi)外圈滾道拆解狀況看，未發(fā)現(xiàn)有滾道表面剝落和異常磨損現(xiàn)象，滾道承載能能力滿足使用要求。

圖3 內(nèi)外滾道拆解

2.4 中心距校核

在已知z1、z2、m、x移條件下，內(nèi)嚙合圓柱齒輪中心距計(jì)算公式如下如圖4 所示。

圖4 中，該機(jī)型的參數(shù)如下：z1= 12，z2= 86，m =8，x移= -0.05；經(jīng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中心距a = 296 mm，帶變位中心距a' = 295.598 mm?？紤]齒輪制造公法線偏差、中心距偏差和銷孔定位偏差后，計(jì)算出齒側(cè)間隙滿足“JIS B 1703 正齒輪和斜齒輪側(cè)隙”中允許側(cè)隙0.23 ～ 1.24 mm 要求。

圖4 內(nèi)嚙合圓柱齒輪中心距計(jì)算式

經(jīng)測(cè)量，該機(jī)實(shí)際安裝中心距為295.99 mm，相對(duì)于設(shè)計(jì)中心距值偏移了0.392 mm，而此時(shí)齒側(cè)間隙的計(jì)算值為-0.04 ～ 0.588 mm。齒輪實(shí)際嚙合齒側(cè)間隙不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在傾翻力矩的作用下，回轉(zhuǎn)馬達(dá)的中心線會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜角度和徑向位移。在齒輪側(cè)隙過小情況下，會(huì)使回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒與回轉(zhuǎn)支承輪齒上部出現(xiàn)反復(fù)徑向擠壓，從而造成斷齒[1]。從回轉(zhuǎn)支承故障件斷齒部位和斷面形狀看，與徑向擠壓斷裂特征相同。因而實(shí)際安裝中心距不符合設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致齒側(cè)間隙過小，從而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒與回轉(zhuǎn)支承輪齒上部產(chǎn)生徑向擠壓是造成斷齒的主要原因[2]。

2.5 齒形修型

針對(duì)回轉(zhuǎn)減速機(jī)和回轉(zhuǎn)支承在傾覆力矩作用下輪齒上部嚙合區(qū)域產(chǎn)生徑向擠壓問題，比較有效的方法是對(duì)齒形進(jìn)行修形[3]。通過將回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒齒形修形為上窄下寬的鼓形齒形可以有效增加齒輪上部側(cè)向間隙，達(dá)到在傾覆力矩作用下緩沖輪齒上部徑向擠壓的目的，如圖5 所示。而該整機(jī)回減速機(jī)為新品開發(fā)，小齒輪齒形未進(jìn)行修形，這也進(jìn)一步加重了輪齒徑向擠壓的程度[4]。

圖5 回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒齒形修形

通過以上分析，造成回轉(zhuǎn)支承斷齒的原因如下：

（1）實(shí)際安裝中心距不符合設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致齒側(cè)間隙過小，從而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒與回轉(zhuǎn)支承輪齒上部在傾覆力矩的作用下產(chǎn)生徑向擠壓是造成斷齒的主要原因。

（2）回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒未進(jìn)行修形，導(dǎo)致輪齒徑向擠壓無法得到減緩是造成斷齒的次要原因。

（3）回轉(zhuǎn)支承輪齒淬火表面硬度較標(biāo)準(zhǔn)高和淬硬層深度偏小是造成斷齒的次要原因。

3 結(jié)語

針對(duì)以上造成回轉(zhuǎn)支承斷齒的原因，分別通過以下措施進(jìn)行改善：

（1）通過齒輪中心距制造符合性控制，保證齒側(cè)間隙滿足《JIS-B1703 正齒輪和斜齒輪側(cè)隙》中允許側(cè)隙0.23 ～ 1.24 mm 要求；

（2）對(duì)回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪齒修形為上窄下寬的鼓形齒形；

（3）對(duì)回轉(zhuǎn)支承輪齒熱處理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過降低淬火降溫速率和適當(dāng)提高回火溫度，使齒輪的淬火部位的表面硬度滿足50 耀60HRC，齒輪有效硬化層深度齒面處逸3.2 mm。

整改后回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)減速機(jī)未再出現(xiàn)斷齒故障。