减速箱大齿轮裂纹产生原因分析以及控制

摘要：湘钢轧机减速箱大齿轮，在使用过程中总是出现裂纹。本文对这一现象产生的原因进行了分析，并切合实际提出了改进的方法。

关键词：裂纹 面接触疲劳强度 弯曲疲劳强度 偏载

1 绪论

近年来，湘钢高线粗轧机组三大减速机的齿轮经常发生裂齿、断齿的设备事故。该公司特委托我们为他生产同类齿轮，原材料采用40cr钢，但是在投入使用后还是经常发生断裂。裂纹从齿面开始，延伸到端面，长度达5厘米。从理论上讲，齿轮的更换周期在5年以上。而我们生产的该齿轮产品二年左右就需更换，甚至更短，为什么呢？

2 对大齿轮面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行校核

2.1 粗轧减速机传动原理图

2.2 减速机各输出轴上工作扭矩的确定

计算时可从两个方面入手：一是从电机的额定功率入手，然后再将工作转矩折算到其输出轴上去；二是可从图1中5#-7#轴的实测轧制力入手推算出工作转矩，然后再折算到输出轴上。

电机额定功率折算到接减速机2的输出轴的工作转矩：

计算参数：电机功率：2000kw

电机转速：517转/分

主减速机输入轴至输出轴速比：i12=3.73

总效率：η=0.995×2×0.98=0.97

两对滚动轴承效率：0.995×2

一对齿轮啮合效率：0.98

查《机械设计手册》表1-4：

T=9550（P/N）iη

=9550××3.73×0.97

=136393.9Nm

从上述方法折算主减速机接减速机2的分配输出轴的工作转矩的结果来看，说明目前粗轧机组所用的功率还没有达到电机的额定功率，事实也如此，目前电机功率大约为1800kW。在校核时，还是按电机额定功率折算的结果来计算。

2.3 接触疲劳强度校核

①析圆上的圆周力

Ft=2000·T/d2=173784N（T的结果见前）。

②工作状况系数

KA=1.75（查《机械设计手册》表8-119确定）。

③动载系数KV

按V·Z2/100=8.4，εβ=6.29，7级精度，查图8-33得KV=1.38。

④面载荷分配系数KHα

由εa =1.52查图8-34得CH=0.83，KHα=CH/zε2=

0.83/zε2。

⑤齿面载荷分布系数Kβ

由软面齿（HB<350）齿轮非对称两轴之间，轴的刚度中等及b/d2=0.29查表8-35得Kβ=1.10。

⑥区域系数ZH

由α=20，β=31°620”，得表8-36得ZH=2.28。

⑦弹性系数ZE

材料为钢，查表8-122，由单位换算为，所以ZE=189.71。

⑧寿命系数ZN

当量循环次数Ne>循环基数，取ZN=1。

⑨润滑剂系数ZL

由28#轧钢机油r50=174-204和σHlim=705.6查表8-40得ZL=1.07。

⑩试验齿轮的接触疲劳极限σHlim

结论：正常条件下，弯曲疲劳强度可靠。

由以上计算可知，在正常轧制条件下，大齿轮的接触强度和弯曲强度是满足轧制要求的，但安全系数不是很大。

3 裂纹原因分析

3.1 裂纹特征

裂纹的发源点和延伸方向大致一样，其断裂处都是在西面齿面的西端处，东面齿的西面部分的点蚀情况也比较严重。

3.2 原因分析

结合湘钢生产实际以及我们加工过程可以初步找出齿轮产生裂纹的原因：

①我们生产的该型号齿轮没有采用数控加工机床，齿面表面粗糙度不是特别好，使齿轮磨合期加长，磨损加剧。

②备件到厂后，没有经过研磨和跑合直接装配上重载运行。

③换大齿轮时，与之啮合的齿轮一般没有调换，因为它是有一定磨损的旧齿轮，势必造成安装误差。

④我们生产的零件毛坯是外购铸件，不能排除齿轮某些部位有晶格疏散现象，甚至还有小孔现象。

⑤湘钢在生产过程中由于加热炉的煤气热值不佳，造成加热炉的加热段和均热段达不到预期的温度，造成轧冷钢现象，这就增加了轧机冲击载荷，使主减速机内齿轮增加负载，损坏加快。

当然原因远远不只这几条，还有待探索。

4 改进减速机大齿轮的方法

①把我们分析的原因通报湘钢有关部门，一起研讨，找到关键性的问题，共同解决。决不互相推诿责任。

②尽量选用锻件毛坯，以防止因铸造而造成的齿轮组织疏松或气孔的缺陷。

③采用专用数控插齿机进行加工，提高齿面的表面质量和尺寸精度，严格控制基节误差和齿形误差以及齿向误差和螺旋角误差，使齿轮瞬时啮合状态最大限度接近理论啮合状态，提高齿轮的接触精度。

④换齿轮时，尽量把相啮合的齿轮同时更换。

⑤对于软齿面齿轮，尽量进行跑合来提高其接触精度。

⑥如果还是达不到要求，就对齿面进行表面淬火处理。

建议湘钢在生产的过程中注意：

①正确选择较好的润滑剂或者有特殊添加剂的润滑油，保证齿轮啮合时有足够的油膜厚度，传动时有良好的润滑条件。

②应有较好的控制温度的措施，杜绝轧冷钢的现象。

③在有条件的情况下，可以考虑改变齿形的方法来提高承载能力。

参考文献：

[1]杨黎明等编.机械零件设计手册.国防工业出版社，1984.

[2]高泽远等编.机械设计.东北大学出版社，1991.

[3]张珣.电站锅炉钢球磨减速箱大齿轮轴断裂分析[A].2006全国兄弟省市理化检测与质量控制学术交流会论文集[C].2006.

作者简介：罗鹏（1969-），男，湖南益阳人，讲师，研究方向：机械、管理。