劉 磊，李德鋒，韋方平，阮一暉

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇常州 213000）

0 引言

電梯在城市中的應(yīng)用越來越普及，隨著樓層的不斷增加，電梯的運(yùn)行速度越來越快，曳引機(jī)的功率也隨之不斷升高。近年來，各種電梯沖頂事故時有發(fā)生，主要原因就是電梯曳引機(jī)的蝸輪失效，因此對曳引機(jī)減速箱的輪齒失效分析成為目前亟需要解決的問題。

曳引機(jī)又被稱為電梯驅(qū)動主機(jī)，是電梯的動力來源。輸送與傳遞動力使電梯正常運(yùn)行是電梯曳引機(jī)的主要功能。在電梯技術(shù)飛速發(fā)展的今天，曳引機(jī)一般分為有齒輪曳引機(jī)和無齒輪曳引機(jī)，比較常見的是有齒輪曳引機(jī)。有齒輪電梯曳引機(jī)通常由電動機(jī)、聯(lián)軸器、制動器、減速箱、曳引輪、機(jī)架和導(dǎo)向輪及附屬緊急盤車裝置等部件組成[1]。有齒輪曳引機(jī)通常是利用減速箱將電動機(jī)動力傳輸?shù)揭芬?，以?shí)現(xiàn)動力傳輸和減速比要求。為了提高電梯運(yùn)行時的平穩(wěn)性、減少運(yùn)行噪聲和減速箱體積，一般情況下使用蝸輪蝸桿減速箱。按蝸輪蝸桿的布置方式，通常又由可分為上置式和下置式。

文獻(xiàn)[2]指出：電梯減速箱出現(xiàn)下列情況之一，將視為達(dá)到報廢技術(shù)條件：

（1）蝸輪副、斜齒輪、行星齒輪出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的輪齒塑性變形、折斷、裂紋、齒面點(diǎn)蝕、膠合或磨損等形式的嚴(yán)重失效；

（2）傳動軸、軸承或鍵出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的損壞；

（3）減速箱體出現(xiàn)裂紋；

（4）減速箱滲漏油不符合GB/T 24478-2019中4.2.3.8要求。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者對齒輪的失效分析做了研究，但是針對電梯曳引機(jī)蝸輪的失效分析還是少有涉及。歐陽惠卿等[3]對比相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，針對電梯用減速箱中齒輪、傳動軸、箱體，分析其失效模式、機(jī)理和風(fēng)險，提出電梯用減速箱的報廢技術(shù)條件。劉興華[4]論述齒輪失效的各種形式，分析產(chǎn)生的原因，提出切實(shí)可行的解決方法。丁康和王延春[5]討論激振能量對輪齒失效和軸彎曲產(chǎn)生的振動調(diào)制現(xiàn)象的影響，指出變速箱3種不同的調(diào)制現(xiàn)象：齒輪嚙合頻率調(diào)制、齒輪固有頻率調(diào)制和傳動箱固有頻率調(diào)制產(chǎn)生的根本原因是激振對量的不同，同時提出相對應(yīng)的齒輪箱振動故障診斷方法并將它們成功地運(yùn)用到輪齒失效和軸彎曲的工程實(shí)例中。陳忠和鄭時雄[6]簡述齒輪箱傳統(tǒng)信號分析技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)技術(shù)的異同，并詳細(xì)論述EMD的分解原理和富立葉變換的關(guān)系。通過應(yīng)用EMD分解技術(shù)，將齒輪箱振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到IMF(Intrinsic Mode Function)模式分量，而后提出相應(yīng)的兩種失效參考指標(biāo)，并且分別驗(yàn)證其在特定條件下的有效性和可操作性，為齒輪箱振動的故障診斷提供參考方法。

在工業(yè)生產(chǎn)中齒輪及齒輪箱的失效和故障診斷已經(jīng)引起各方學(xué)者的關(guān)注。電梯屬于特種設(shè)備，與老百姓的日常生活息息相關(guān)，尤其驅(qū)動主機(jī)的異常振動對電梯安全有重大影響[7]，因此電梯曳引機(jī)減速箱的蝸輪蝸桿失效分析迫在眉梢。

2 常見曳引機(jī)減速箱蝸輪失效形式

在有齒輪曳引機(jī)的減速箱中，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)變速箱是目前應(yīng)用最為普遍的。蝸桿通常選用45鋼或40Cr材料，一般為阿基米德螺旋蝸桿。蝸輪通常應(yīng)選用錫青銅或鋁青銅材料鑄造而成，但現(xiàn)在由于行業(yè)惡性競爭導(dǎo)致大幅度壓低生產(chǎn)成本，所以目前均大量采用高鋁鋅基合金材料來代替。這種替代材料價格便宜，質(zhì)量輕，機(jī)械特性好，但缺點(diǎn)是熱敏性高，對鑄造的要求高，容易產(chǎn)生氣孔、疏松和夾渣等缺陷。由于材料和結(jié)構(gòu)上的因素，蝸桿的強(qiáng)度一般高于蝸輪的強(qiáng)度，所以通常都是蝸輪的輪齒失效。

電梯曳引機(jī)的減速箱通常是封閉環(huán)境，由于散熱條件不好，并且連續(xù)長時間的重載運(yùn)行，所以蝸輪蝸桿的蝸輪非常容易發(fā)生失效。工程應(yīng)用中比較常見的蝸輪輪齒的失效形式有：齒面膠合、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、輪齒折斷和齒面塑性變形等。電梯曳引機(jī)的減速箱中齒面磨損和輪齒折斷最常見，如圖1所示。

圖1 輪齒失效

3 建模分析

設(shè)定一般參數(shù)：載重800 kg，梯速1.75 m/s，曳引機(jī)功率15 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，曳引輪直徑620 mm，極數(shù)4。為簡化計(jì)算，便于觀察輪齒，假設(shè)齒頂直徑48 mm，齒底直徑30 mm，齒數(shù)10，齒厚4 mm，彈性模量2.06×1011，密度7.8 × 103，最大轉(zhuǎn)速5.7 rad/s。

通過考察蝸輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生多大的徑向位移，從而判斷其變形情況以及蝸輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒面受到的壓力作用。ANSYS軟件以它的多種分析功能而成為CAE軟件的應(yīng)用主流，在工業(yè)的各個方面應(yīng)用廣泛[8]。本文作者利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模分析，步驟如下：

（1）建立蝸輪模型：定義單元類型和實(shí)常數(shù)、定義材料屬性、建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 齒輪模型

（2）對建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

（3）定義邊界條件并求解：其中定義施加載荷為旋轉(zhuǎn)離心力，由5.7 rad/s轉(zhuǎn)速產(chǎn)生；定義位移邊界條件為固定蝸輪內(nèi)孔邊緣各節(jié)點(diǎn)的周向位移。

（4）查看結(jié)果：查看變形和徑向應(yīng)力，分別如圖4、5所示。

由求解結(jié)果可知，最大變形位于輪齒的外齒廓最大處，數(shù)值為0.004 mm，此處最易發(fā)生輪齒磨損，最大徑向的位置位于齒根處，數(shù)值為0.158e+09，此處最易發(fā)生輪齒折斷。

圖4 齒輪變形

圖5 齒輪徑向應(yīng)力

4 結(jié)束語

電梯是日常生活中一種常見的特種設(shè)備，電梯的正常運(yùn)行涉及老百姓的人身和財產(chǎn)安全。曳引機(jī)是電梯的動力源，是電梯安全運(yùn)行的最主要部件。對于采用蝸輪蝸桿減速箱的有齒輪曳引機(jī)，在維修保養(yǎng)時需按照廠家規(guī)定的要求進(jìn)行維保，選用合適的潤滑油，必須加到規(guī)定的量，按時更換，對于沒有達(dá)到更換時間的潤滑油，在維修保養(yǎng)時只要打開油箱蓋觀察到油的粘度變稠、變稀、潤滑油發(fā)黑變質(zhì)等異?，F(xiàn)象也應(yīng)該立刻更換。電梯減速箱的溫度不宜過高，在日常維保時可以嘗試觸摸軸承的端蓋和減速箱外殼，如果溫升異常，應(yīng)立刻檢查原因，排除原因后方可繼續(xù)運(yùn)行。曳引機(jī)減速箱應(yīng)定期保養(yǎng)，及時更換符合要求的潤滑油。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輪齒有磨損和折斷現(xiàn)象時，應(yīng)及時進(jìn)行修復(fù)或更換，確保電梯安全運(yùn)行。