矫平机齿轮箱断齿分析与改进
2013-12-04马彩英杨敏超刘振庆
马彩英 杨敏超 刘振庆
江阴齿轮箱制造有限公司 江苏江阴市
一、前言
矫平机可作为去除板材应力、提高板材品质的设备使用,为适应市场需求,江阴齿轮箱制造有限公司开发了多种规格的辊式矫平机用减速器。辊式矫平操作是在交错排列的上、下排工作辊之间进行,两列工作辊的空档中间形成交错的排列,板材从一端送入,被矫平机啮入,工作辊对板材进行正反方向的多次交变弯曲,最终使板材变得平整。辊式矫平机减速器作为关键的传动部件,必须要保证设备安全、稳定、长期运行,应满足高可靠性要求。JPJ28型矫平机,在短短半年内就出现了重大事故,造成不良影响,必须采取相应改进措施
二、齿轮箱断齿情况与分析
JPJ28矫平机的齿轮箱,是专门为矫平高强度板材设计的部件,先后生产过2台。第一台于2009年11月交货,使用至今没有问题,用于小规格板材矫平。第二台用于稍大规格板材矫平,用于12mm厚1800mm宽度的板材矫平线。所用减速器于2010年11月交货,客户使用半年后出现严重断齿现象,并且主箱体的上箱体边角出现变形。
两台相同的设备,一台运转良好,另一台却在半年时间内损坏,当时怀疑操作工操作不当。到现场查看情况,询问操作工,设备正常运行时有轻微响声,运行中板材突然卡住不动,操作工马上按下停止按钮,但未能立即切断电源,过了5s左右按下另外一个停止按钮才切断电源,此过程中齿轮箱发出很大声音,应该是发生了断齿并且发现齿轮箱上箱体边角处有轻微变形。操作中并未反向送入板材,可排除操作问题。
拆箱后,发现箱内齿轮损坏(图1),部分齿轮损毁严重(图2),箱内放油后,发现很多齿轮碎块(图3)。完全拆开后,又发现输出轴有扭曲变形。将碎块送热处理部门分析后,未发现异常。统计后,齿轮箱中有5根输出轴弯曲变形,4个齿轮有损伤,4个齿轮发生断齿,有11个轴承和10个油封需要更换。并且这些齿轮、齿轴的损坏部位不在同一个位置。
图1 箱体内部概况
矫平机减速器内的空间比较狭窄,布局非常紧凑,箱体轴布置见图4。输出轴受空间限制,轴径相对较小,导致轴比较细长,齿轮模数较大,齿轮材料采用优质低碳合金钢20CrNi2MoA。
图2 断齿齿轮
图3 断裂的齿轮碎块
图4 箱体布置示意
根据损坏的现象分析,考虑矫平机受负扭矩作用,即由于各工作辊作用于板材的压弯量不同,引起各矫平辊的线速度不一样,导致某辊驱动板材时,下面一棍线速度较慢,板材反作用于该工作辊,相当于板材拖着工作辊转动。此时工作辊不但不起作用,反而形成了对系统的阻力,导致板材进入矫平机时,前面几个辊受到了相当大的力,某根工作辊产生轻微弯曲变形,甚至安装齿轮的部位也产生了弯曲,这样该位置的齿轮啮合受到偏转,作用力由原来作用于全齿面,变为作用于部分齿面上,对齿轮造成很大冲击,进而产生断齿。断齿后产生的碎片,刮到了箱体内壁,并且甩到其他齿轮部位,导致其余位置的齿轮也发生了断齿或是齿面损伤。并且受影响部位的轴承也承受了很大的力,轴承顶起上箱体而导致上箱体边角变形。虽然轴承外观看不到明显损伤,为确保安全,也需更换轴承。
三、矫平机齿轮箱改进
1.提高设计安全系数
因为负扭矩的存在,导致板材进入部位受力不定,具体达到多大难以估计,应尽量加大安全系数。同时建议客户加大该减速器的中心距,以加大齿轮模数来提高传动件的强度。为确保安全,特意将实际工作扭矩放大2倍后计算。提高后的安全系数见表1。
2.优化传动方式
在空间受限制条件下,对产品的传动方式进行优化,以使载荷尽量分散布置而不集中,避免某处负载过大而导致此处传动件加大后难以布置的问题,并避免干涉问题的产生。
3.优化轴承布置
空间的有限也导致轴承的布置受限制,因此对每一处的轴承进行仔细校核,保证在有限空间下的轴承布置要满足产品高强度运转要求。
表1 提高后的安全系数
4.加宽内轴承座并增加螺栓数量
考虑箱体强度可能不足,为此对内轴承座进行加宽以加大固定螺钉并且增加固定螺栓、螺钉数量。各中间轴承座均与箱体焊接为一体,与上箱体结合处放置筋板加强。上箱体上方再增加螺栓固定使箱体、中间轴承座固为一体。轴承座部位螺栓原来为8.8级强度螺栓,现均采用12.9级强度螺栓。
1 齿轮手册编委会.齿轮手册.机械工业出版社,2000
2 机械零件设计手册.冶金工业出版社,1994
3 成大先.机械设计手册.化学工业出版社,2008