蘇發(fā)龍

(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠,江西 鷹潭 335424)

減速機高速齒輪軸斷齒及斷軸分析與對策

蘇發(fā)龍

(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠,江西 鷹潭 335424)

本文對造成減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因進行的深入的分析,并結合實際的案例提出了幾點具有實踐意義的對策.

減速機;高速齒輪;斷軸;斷齒;對策

減速機高速齒輪斷軸、斷齒對于回轉窯的正常運行具有重要的影響力,因此,想要保證企業(yè)的正常生產,提高企業(yè)的經濟效益,對減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因及對策進行分析是一個較為重要的措施.

1 減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸原因分析

1.1 減速機高速齒輪軸結構方面的原因

通常情況下,減速機高速齒輪軸最容易發(fā)生斷裂的位置位于軸和軸之間的結構過渡和連接位置.軸與軸連接的位置通常都處于軸徑變化的范圍,而軸徑最小的位置往往都會最先發(fā)生斷裂.這是由于該位置軸的截面形狀變化和軸間處的位置一直處于一種相對垂直的幾何位置關系,而這種結構勢必會導致軸和軸的連接位置受到不同的應力集中問題的影響.總的來說,造成減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸的根本原因是受到了外力的影響,集中扭轉力造成的齒輪軸斷裂和斷軸只是其中較為常見的一種.除了軸與軸的連接位置外,齒輪軸的鍵槽位置也是誘發(fā)齒輪軸斷齒、斷軸的重要原因之一.其主要原因在于軸的受力大小和軸的半徑尺寸是反比例關系,因此,軸的軸徑越小、齒輪軸受到的外部應力也就越大.而齒輪軸鍵槽根部位置是恰好是軸徑最小的部位,因此,在齒輪軸鍵槽根部位置受到的外部應力較其它部位都要更大.而一旦外部應力超過齒輪軸鍵槽位置的承載能力,便會出現斷裂.另外,軸齒輪鍵槽位置還需要進行嚴格的熱工藝處理.然而在實際中許多供應商為了降低生產成本,在對部分產品的生產過程中,并沒有進行良好的熱工藝處理.而一旦沒有進行熱工藝處理將會導致齒輪軸鍵槽部位出現應力疲勞,進而導致軸齒輪產生斷裂.對于減速機來說,齒輪軸產生斷裂無疑會對減速機的正常使用造成影響.

1.2 齒輪軸采用的材質不符合設計要求

齒輪軸對于減速機的正常運行具有重要的作用,因此,齒輪軸的材質必須要符合相應的設計要求.但在實際中,很多時候齒輪軸采用的材質都沒有遵照設計圖紙的要求.以至于在實際中齒輪軸對外部應力的承受能力有所下降.因此,在這種情況下,即便是在正常的運行狀態(tài)下,齒輪軸也有可能發(fā)生斷裂.鑒于在實際中,許多廠商都會用50號鋼替代42CrMo,本文在此對兩種材質齒輪軸的金屬顯微組織進行分析.首先,我們要做的是對兩種不同材質的齒輪軸進行取樣處理,并準備一定用量的4.2%濃度的硝酸溶液作為反應試劑;其次,為了提高反應效果,還需要準備一定量的酒精,其主要原因在于硝酸溶液混合酒精溶液可以提高其腐蝕效果;最后,在實驗所需材料及器材準備完成后,則可以將試驗樣品投入試驗.在經過一定時間的腐蝕之后,我們可以利用金相顯微鏡對齒輪軸進行觀察.通過觀察發(fā)現,50號鋼材質的齒輪軸的顯微組織顯示的結構是網狀的鐵素體,并伴隨著一些片狀的珠光體.而42CrMo材質的齒輪軸樣品則顯示的是回火索氏體和少量的鐵素體.兩種材質的齒輪軸樣品性質也存在很大部分.通常情況下,索氏體在經過一系列的處理后,其表現出的性能和強度都比較優(yōu)越,尤其是在強度和韌性方面,索氏體表現出的性能極為突出.而對于減速機齒輪軸來說,齒輪軸強度越大,韌性越強其發(fā)生斷裂的幾率也就越小.而反觀50號鋼材質的齒輪軸,由于鋼的抗拉強度受魏氏組織的影響程度較低,因此通常情況下,鋼的抗拉強度不會發(fā)生太大的變化.但魏氏組織的存在對于鋼的塑性卻具有較大的影響,其主要原因在于魏氏組織的出現通常都會伴隨著奧氏體晶體,而奧氏體晶體對于鋼的力學性能能夠造成極大的影響,尤其是對于鋼的抗沖擊韌度會造成極大的危害.值得注意的是,魏氏組織的出現通常都是由于鋼材質的齒輪軸在加熱過程中,沒有控制好溫度導致的,且魏氏組織在不同的溫度下,所產生的性能也不相同.但總體來說,溫度處理越高,齒輪軸的韌性會相應的變低,從而導致齒輪軸發(fā)生斷裂.兩種材質中42CrMo材質的齒輪軸性能要較為優(yōu)越,因此,在實際中選擇使用該材質的齒輪軸是避免減速機齒輪軸發(fā)生斷裂的有效方法之一.

2 某煉鋼廠減速機高速齒輪斷軸齒、斷軸案例分析及對策研究

活性石灰石是一種極為重要的造渣材料,由于其具有較為活潑的反應性能和較低的含硫量,因此活性石灰石還可以作為燒結的溶劑.某企業(yè)在總體布置中設置了4條標準規(guī)格的回轉窯,在2012年初建成并投入使用,所生產的活性石灰根據實際情況分別為轉爐煉鋼和燒結使用.該煉鋼廠回轉窯結構主要由以下幾個部分組成:支撐結構、傳動結構、密封結構、主電機、輔傳減速機、小齒輪、大齒圈、主減速機、高速聯(lián)軸器、窯頭、窯尾等部分組成.值得注意的是窯頭、窯尾沒有密封結構.回轉窯在使用過程中往往會發(fā)生各種不同的故障.但總的來說對回轉窯正常生產影響較大的還是要數主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸.近年來,該煉鋼廠發(fā)現回窯主減速機異音出現且振動異常較為頻繁.通過檢查發(fā)現減速機高速齒輪已經出現了斷齒現象.為了保證企業(yè)的正常生產,該企業(yè)針對回窯減速機斷軸或斷齒問題進行了詳細分析.

2.1 相關參數及斷齒、斷軸概況

(1)回轉窯電機相關參數.該企業(yè)回轉窯主電機采用了YSNP355M2-6型號,額定功率為16kW,轉速為980r/min.輔助傳動電器型號為Y180M-4,額定功率為18.5kW,轉速為1470r/min.

(2)減速機相關參 數.該企業(yè)主減速機采用了YNS1240-80VIBD-L型號,中心距為1240mm,速比為80.副減速機型號為YNS395-28-I-L,中心距為395mm,速比為28.

(3)主減速機高速齒輪相關參數.該企業(yè)主減速機高速齒輪結構.其中該主減速機齒輪部分參數:齒輪軸材質為35CrMo;法向模數為5;齒數為16;壓力角為24°;螺旋角為12°;截面M-M為115mm;原設計過渡圓角為3mm.

(4)回轉窯故障前主減速機運行狀態(tài).對設備的日常檢修和維護工作較為重視,并且對每次檢查和維護都會進行相應的記錄.在該企業(yè)回轉窯故障前,相關工作人員對回轉窯主減速機的運行狀況記錄如下:2015年3月13日,在對回轉窯進行設備點檢時發(fā)現回轉窯主減速機有異音,并有輕微的異常振動.對此,相關工作人員隨即對該減速機進行重點監(jiān)控;18日工作人員再次對該減速機進行檢查,并利用頻譜分析進行了在線監(jiān)測,但并沒有發(fā)生異常,而該主減速機異常振動、異音似乎有增加的趨勢;21日,工作人員申請進行停機檢查,最后發(fā)現該主減速機高速齒輪已經發(fā)生了四處斷齒現象,隨后在采用輔助傳動涼窯停機進行更換的過程中,該主減速機發(fā)生了的軸斷裂現象.

(5)軸斷齒、斷軸特征.從該減速機軸斷面來看,軸斷裂發(fā)生的位置出現在軸肩處,軸斷后減速機高速齒輪仍在凹凸斷面咬合下進行涼窯運轉,即便是經過了一定時間的磨合,該軸斷面仍然可以清楚地看到一些疲勞裂紋.從軸肩處的軸斷面來看,斷面基本上與軸線保持垂直狀態(tài),斷面部分的區(qū)域存在部分鋸齒狀形態(tài),具體來說,可以將該軸斷面分為以下四個區(qū)域:一是軸肩的過渡處,在該位置疲勞裂紋的數量最多,疲勞源大致在2~3處之間;第二個區(qū)域是疲勞源的發(fā)展區(qū)域,在該區(qū)域內表面較為光亮、具有一定數量的放射狀紋理;第三區(qū)域是疲勞裂紋的擴展區(qū)域,該區(qū)域表面較為光亮,但粗糙程度較高;第四個區(qū)域是瞬時斷裂區(qū)域,該區(qū)域在斷面的最中部,其最為顯著的特征便是表面極為粗糙.從斷齒狀況來看,該減速機發(fā)生斷齒的部位總共有四處,斷齒的長度在減速機齒寬的一半左右.其中有兩處連續(xù)的斷齒,另外兩處斷齒呈相間狀態(tài).兩處連續(xù)斷齒內部有明顯的銹跡,且存在剝落現象,因此這兩處位置的斷齒應該是由于齒輪軸材質不符合設計要求導致的.另外兩處斷齒周圍的齒較為完好,且斷齒處不存在剝落現象,也不具有明顯的銹跡,因此初步判定該位置的斷齒應該是由于減速機斷齒時,高速齒輪軸失穩(wěn)異常嚙合所致.

2.2 減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸原因分析

(1)減速機高速齒輪軸斷齒宏觀原因分析.從減速機高速齒輪斷齒的狀況可以發(fā)現,減速機齒輪軸斷齒主要有兩種類型:一種是具有明顯疲勞特征的斷齒,另一種是一次性過載折斷的斷齒.該減速機斷齒總共出現在四個部位,在上文中已經作出了初步的解釋.兩處連續(xù)的斷齒在此以斷齒1和斷齒2替代,另外兩處相間的斷齒在此以斷齒3和斷齒4表示.幾處斷齒的長度基本上已經達到了齒徑的一半.其中斷齒1和斷齒2具有明顯的疲勞裂紋,斷齒部位呈現出小塊狀,并伴有片狀剝落.由此可見,斷齒1和斷齒2是一種接觸疲勞失效導致的齒輪軸斷齒.通常情況下,接觸疲勞會對齒表面造成反復的破壞,并且在長期的接觸壓應力的影響下,破壞部位會不斷惡化.但在短期內齒輪軸仍然可以正常工作,但隨著時間的推移,齒表面受到的破壞會不斷地增大,從而造成了齒嚙合狀態(tài)出現異常,最終使減速機齒根部受到的應力增大,將減速機齒輪軸齒表面上的裂紋擴展成為斷齒.另外斷齒1和斷齒2內部有明顯的銹點,這表明該齒在工作中存在一定的內部缺陷.而斷齒3和斷齒4斷面呈現出一次性斷裂的特征,因此,斷齒3和斷齒4應該是由于減速機齒輪軸內部突然卡入異物或者是負載突然增加導致齒嚙合異常所致.減速機齒輪軸斷齒狀況.

(2)減速機高速齒輪軸斷軸原因分析.①主電機驅動時齒輪軸M-M截面所受彎矩大小.由于主電機驅動時,齒輪軸M-M截面不受轉矩影響,故此在這里只對齒輪軸M-M截面進行彎矩受力大小計算.在主電機驅動狀態(tài)下,齒輪作用力在水平面的彎矩大小為1110N.m;齒輪作用力在垂直平面的彎矩大小為2479N.m;齒輪作用力在M-M截面作出的最大合力彎矩為2716N.m;由于附加圓周力作用而作出的彎矩大小為264N.m.由于附加圓周力作用平面不定,因此,當附加圓周力作用到M-M截面時對減速機高速齒輪造成的威脅最大,在這個時候M-M截面所受彎矩大小應為附加圓周力作用彎矩和M-M截面固有彎矩大小之和,為2980N.m.②輔助電機驅動時M-M截面所受彎矩、轉矩大小.由于在使用輔助電機驅動時,M-M截面不僅受彎矩的影響,同時還受轉矩的影響.在輔助電機驅動時減速機高速齒輪作用力在水平面的彎矩大小為3233N.m;而作用在垂直平面上的彎矩大小為8002N.m;最后作用在M-M截面上的最大合力彎矩為8630N.m;由附加圓周力作用而作出的彎矩大小為1364N.m;故當附加圓周力作用在M-M截面時,M-M截面所承受的彎矩大小為附加圓周力作用彎矩大小和M-M截面承受的固有彎矩大小之和,為9976N.m.另外,輔助電機驅動時,齒輪軸M-M截面所受轉矩大小為4543N.m.綜上所述,當主電機驅動時M-M截面只承受彎矩,且承受的最大彎矩大小為2980N.m;而當輔助電機驅動時M-M截面受彎矩和轉矩雙重影響,其中該截面受到的最大彎矩大小為9976N.m,而轉矩大小為4543N.m.由此可見,在輔助電機驅動時,M-M截面受到的影響較大,且較為容易發(fā)生斷裂.最后,經計算當采用輔助電機驅動時,M-M截面直徑處于合理范圍,由此表明該減速機齒輪軸M-M截面直徑大小設計合理.

(3)M-M截面疲勞強度安全系數核校.從上文中可以得出M-M截面直徑設計合理,在設計上該截面為軸肩位置,且設計過渡圓角半徑為3mm.按照《機械設計手冊》核對,事實上該截面位置處于過渡周肩,應設計過渡圓角半徑為10mm.下面就不同的情況,對該截面位置的疲勞強度安全系數進行核校.當采用主電機驅動時,并且過渡圓角為3mm時,該截面位置疲勞強度安全系數為4.722.此時該截面疲勞強度安全系數與只考慮彎矩作用是的安全系數一致;當采用輔助電機驅動,過渡圓角半徑為3mm時,該截面疲勞強度安全系數為1.333,且只考慮彎矩作用的情況下安全系數為1.384,在只考慮轉矩作用的情況下,安全系數為4.968;最后在此用輔助電機驅動,并且過渡圓角為10mm的情況下,只考慮彎矩作用時安全系數為2.076,只考慮轉矩作用時安全系數為6.624,最后得出該截面疲勞強度安全系數為1.98.

(4)結論.當采用主電機驅動,過渡圓角半徑為3mm時,M-M截面疲勞強度安全系數大于許用安全系數,合格;當采用輔助電機驅動,過渡圓角半徑為3mm時,M-M截面疲勞強度安全系數低于許用安全系數,不合格;而當過渡圓角更改為10mm時,輔助電機驅動M-M截面疲勞強度安全系數大于許用安全系數,合格.由此推斷,該企業(yè)主減速機高速齒輪斷軸、斷齒應該是在采用輔助電機驅動時由于安全系數不達標導致的.

2.3 避免減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸的對策

通過上述分析,想要避免減速機高速齒輪斷齒、斷軸應該從以下幾個方面著手,首先,是要確定優(yōu)質的供貨商,保證減速機高速齒輪自身的質量;其次,要加強對設備制造過程中的檢驗檢測工作,做好其中的驗收程序,保證投入生產的設備具有可靠的性能;再次,若投入使用的減速機運行異常,應對其進行綜合性的分析,并探究其在設計上是否存在缺陷,若存在設計缺陷,則應進行及時更正,從而避免減速機高速齒輪斷軸、斷齒問題發(fā)生.

3 結語

綜上所述,造成減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸的原因大致可以分為四個類型:一是高速齒輪軸結構位置承受的壓應力較大,二是高速齒輪采用的材質不符合要求,三是生產廠家沒有對高速齒輪進行熱處理,四是設計存在錯誤.因此想要避免減速機軸斷齒、斷軸現象發(fā)生就必須要做好以上各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控.

[1]李運生,樓天明,許安心.回轉窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸分析與對策[J].浙江冶金,2014,(01):27-31.

[2]楊麗,趙雅東.闡析減速機高速齒輪軸的斷裂[J].中國新技術新產品,2015,(23):84.

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1671-0711(2017)11(上)-0129-03