减速机高速齿轮轴断齿及断轴分析与对策

2017-01-20苏发龙

中国设备工程 2017年21期

关键词：齿轮轴回转窑减速机

苏发龙

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂,江西鹰潭 335424)

减速机高速齿轮轴断齿及断轴分析与对策

苏发龙

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂,江西鹰潭 335424)

本文对造成减速机高速齿轮轴断齿、断轴的原因进行的深入的分析,并结合实际的案例提出了几点具有实践意义的对策.

减速机;高速齿轮;断轴;断齿;对策

减速机高速齿轮断轴、断齿对于回转窑的正常运行具有重要的影响力,因此,想要保证企业的正常生产,提高企业的经济效益,对减速机高速齿轮轴断齿、断轴的原因及对策进行分析是一个较为重要的措施.

1 减速机高速齿轮轴断齿、断轴原因分析

1.1 减速机高速齿轮轴结构方面的原因

通常情况下,减速机高速齿轮轴最容易发生断裂的位置位于轴和轴之间的结构过渡和连接位置.轴与轴连接的位置通常都处于轴径变化的范围,而轴径最小的位置往往都会最先发生断裂.这是由于该位置轴的截面形状变化和轴间处的位置一直处于一种相对垂直的几何位置关系,而这种结构势必会导致轴和轴的连接位置受到不同的应力集中问题的影响.总的来说,造成减速机高速齿轮轴断齿、断轴的根本原因是受到了外力的影响,集中扭转力造成的齿轮轴断裂和断轴只是其中较为常见的一种.除了轴与轴的连接位置外,齿轮轴的键槽位置也是诱发齿轮轴断齿、断轴的重要原因之一.其主要原因在于轴的受力大小和轴的半径尺寸是反比例关系,因此,轴的轴径越小、齿轮轴受到的外部应力也就越大.而齿轮轴键槽根部位置是恰好是轴径最小的部位,因此,在齿轮轴键槽根部位置受到的外部应力较其它部位都要更大.而一旦外部应力超过齿轮轴键槽位置的承载能力,便会出现断裂.另外,轴齿轮键槽位置还需要进行严格的热工艺处理.然而在实际中许多供应商为了降低生产成本,在对部分产品的生产过程中,并没有进行良好的热工艺处理.而一旦没有进行热工艺处理将会导致齿轮轴键槽部位出现应力疲劳,进而导致轴齿轮产生断裂.对于减速机来说,齿轮轴产生断裂无疑会对减速机的正常使用造成影响.

1.2 齿轮轴采用的材质不符合设计要求

齿轮轴对于减速机的正常运行具有重要的作用,因此,齿轮轴的材质必须要符合相应的设计要求.但在实际中,很多时候齿轮轴采用的材质都没有遵照设计图纸的要求.以至于在实际中齿轮轴对外部应力的承受能力有所下降.因此,在这种情况下,即便是在正常的运行状态下,齿轮轴也有可能发生断裂.鉴于在实际中,许多厂商都会用50号钢替代42CrMo,本文在此对两种材质齿轮轴的金属显微组织进行分析.首先,我们要做的是对两种不同材质的齿轮轴进行取样处理,并准备一定用量的4.2%浓度的硝酸溶液作为反应试剂;其次,为了提高反应效果,还需要准备一定量的酒精,其主要原因在于硝酸溶液混合酒精溶液可以提高其腐蚀效果;最后,在实验所需材料及器材准备完成后,则可以将试验样品投入试验.在经过一定时间的腐蚀之后,我们可以利用金相显微镜对齿轮轴进行观察.通过观察发现,50号钢材质的齿轮轴的显微组织显示的结构是网状的铁素体,并伴随着一些片状的珠光体.而42CrMo材质的齿轮轴样品则显示的是回火索氏体和少量的铁素体.两种材质的齿轮轴样品性质也存在很大部分.通常情况下,索氏体在经过一系列的处理后,其表现出的性能和强度都比较优越,尤其是在强度和韧性方面,索氏体表现出的性能极为突出.而对于减速机齿轮轴来说,齿轮轴强度越大,韧性越强其发生断裂的几率也就越小.而反观50号钢材质的齿轮轴,由于钢的抗拉强度受魏氏组织的影响程度较低,因此通常情况下,钢的抗拉强度不会发生太大的变化.但魏氏组织的存在对于钢的塑性却具有较大的影响,其主要原因在于魏氏组织的出现通常都会伴随着奥氏体晶体,而奥氏体晶体对于钢的力学性能能够造成极大的影响,尤其是对于钢的抗冲击韧度会造成极大的危害.值得注意的是,魏氏组织的出现通常都是由于钢材质的齿轮轴在加热过程中,没有控制好温度导致的,且魏氏组织在不同的温度下,所产生的性能也不相同.但总体来说,温度处理越高,齿轮轴的韧性会相应的变低,从而导致齿轮轴发生断裂.两种材质中42CrMo材质的齿轮轴性能要较为优越,因此,在实际中选择使用该材质的齿轮轴是避免减速机齿轮轴发生断裂的有效方法之一.

2 某炼钢厂减速机高速齿轮断轴齿、断轴案例分析及对策研究

活性石灰石是一种极为重要的造渣材料,由于其具有较为活泼的反应性能和较低的含硫量,因此活性石灰石还可以作为烧结的溶剂.某企业在总体布置中设置了4条标准规格的回转窑,在2012年初建成并投入使用,所生产的活性石灰根据实际情况分别为转炉炼钢和烧结使用.该炼钢厂回转窑结构主要由以下几个部分组成:支撑结构、传动结构、密封结构、主电机、辅传减速机、小齿轮、大齿圈、主减速机、高速联轴器、窑头、窑尾等部分组成.值得注意的是窑头、窑尾没有密封结构.回转窑在使用过程中往往会发生各种不同的故障.但总的来说对回转窑正常生产影响较大的还是要数主减速机高速齿轮轴断齿、断轴.近年来,该炼钢厂发现回窑主减速机异音出现且振动异常较为频繁.通过检查发现减速机高速齿轮已经出现了断齿现象.为了保证企业的正常生产,该企业针对回窑减速机断轴或断齿问题进行了详细分析.

2.1 相关参数及断齿、断轴概况

(1)回转窑电机相关参数.该企业回转窑主电机采用了YSNP355M2-6型号,额定功率为16kW,转速为980r/min.辅助传动电器型号为Y180M-4,额定功率为18.5kW,转速为1470r/min.

(2)减速机相关参数.该企业主减速机采用了YNS1240-80VIBD-L型号,中心距为1240mm,速比为80.副减速机型号为YNS395-28-I-L,中心距为395mm,速比为28.

(3)主减速机高速齿轮相关参数.该企业主减速机高速齿轮结构.其中该主减速机齿轮部分参数:齿轮轴材质为35CrMo;法向模数为5;齿数为16;压力角为24°;螺旋角为12°;截面M-M为115mm;原设计过渡圆角为3mm.

(4)回转窑故障前主减速机运行状态.对设备的日常检修和维护工作较为重视,并且对每次检查和维护都会进行相应的记录.在该企业回转窑故障前,相关工作人员对回转窑主减速机的运行状况记录如下:2015年3月13日,在对回转窑进行设备点检时发现回转窑主减速机有异音,并有轻微的异常振动.对此,相关工作人员随即对该减速机进行重点监控;18日工作人员再次对该减速机进行检查,并利用频谱分析进行了在线监测,但并没有发生异常,而该主减速机异常振动、异音似乎有增加的趋势;21日,工作人员申请进行停机检查,最后发现该主减速机高速齿轮已经发生了四处断齿现象,随后在采用辅助传动凉窑停机进行更换的过程中,该主减速机发生了的轴断裂现象.

(5)轴断齿、断轴特征.从该减速机轴断面来看,轴断裂发生的位置出现在轴肩处,轴断后减速机高速齿轮仍在凹凸断面咬合下进行凉窑运转,即便是经过了一定时间的磨合,该轴断面仍然可以清楚地看到一些疲劳裂纹.从轴肩处的轴断面来看,断面基本上与轴线保持垂直状态,断面部分的区域存在部分锯齿状形态,具体来说,可以将该轴断面分为以下四个区域:一是轴肩的过渡处,在该位置疲劳裂纹的数量最多,疲劳源大致在2~3处之间;第二个区域是疲劳源的发展区域,在该区域内表面较为光亮、具有一定数量的放射状纹理;第三区域是疲劳裂纹的扩展区域,该区域表面较为光亮,但粗糙程度较高;第四个区域是瞬时断裂区域,该区域在断面的最中部,其最为显著的特征便是表面极为粗糙.从断齿状况来看,该减速机发生断齿的部位总共有四处,断齿的长度在减速机齿宽的一半左右.其中有两处连续的断齿,另外两处断齿呈相间状态.两处连续断齿内部有明显的锈迹,且存在剥落现象,因此这两处位置的断齿应该是由于齿轮轴材质不符合设计要求导致的.另外两处断齿周围的齿较为完好,且断齿处不存在剥落现象,也不具有明显的锈迹,因此初步判定该位置的断齿应该是由于减速机断齿时,高速齿轮轴失稳异常啮合所致.

2.2 减速机高速齿轮轴断齿、断轴原因分析

(1)减速机高速齿轮轴断齿宏观原因分析.从减速机高速齿轮断齿的状况可以发现,减速机齿轮轴断齿主要有两种类型:一种是具有明显疲劳特征的断齿,另一种是一次性过载折断的断齿.该减速机断齿总共出现在四个部位,在上文中已经作出了初步的解释.两处连续的断齿在此以断齿1和断齿2替代,另外两处相间的断齿在此以断齿3和断齿4表示.几处断齿的长度基本上已经达到了齿径的一半.其中断齿1和断齿2具有明显的疲劳裂纹,断齿部位呈现出小块状,并伴有片状剥落.由此可见,断齿1和断齿2是一种接触疲劳失效导致的齿轮轴断齿.通常情况下,接触疲劳会对齿表面造成反复的破坏,并且在长期的接触压应力的影响下,破坏部位会不断恶化.但在短期内齿轮轴仍然可以正常工作,但随着时间的推移,齿表面受到的破坏会不断地增大,从而造成了齿啮合状态出现异常,最终使减速机齿根部受到的应力增大,将减速机齿轮轴齿表面上的裂纹扩展成为断齿.另外断齿1和断齿2内部有明显的锈点,这表明该齿在工作中存在一定的内部缺陷.而断齿3和断齿4断面呈现出一次性断裂的特征,因此,断齿3和断齿4应该是由于减速机齿轮轴内部突然卡入异物或者是负载突然增加导致齿啮合异常所致.减速机齿轮轴断齿状况.

(2)减速机高速齿轮轴断轴原因分析.①主电机驱动时齿轮轴M-M截面所受弯矩大小.由于主电机驱动时,齿轮轴M-M截面不受转矩影响,故此在这里只对齿轮轴M-M截面进行弯矩受力大小计算.在主电机驱动状态下,齿轮作用力在水平面的弯矩大小为1110N.m;齿轮作用力在垂直平面的弯矩大小为2479N.m;齿轮作用力在M-M截面作出的最大合力弯矩为2716N.m;由于附加圆周力作用而作出的弯矩大小为264N.m.由于附加圆周力作用平面不定,因此,当附加圆周力作用到M-M截面时对减速机高速齿轮造成的威胁最大,在这个时候M-M截面所受弯矩大小应为附加圆周力作用弯矩和M-M截面固有弯矩大小之和,为2980N.m.②辅助电机驱动时M-M截面所受弯矩、转矩大小.由于在使用辅助电机驱动时,M-M截面不仅受弯矩的影响,同时还受转矩的影响.在辅助电机驱动时减速机高速齿轮作用力在水平面的弯矩大小为3233N.m;而作用在垂直平面上的弯矩大小为8002N.m;最后作用在M-M截面上的最大合力弯矩为8630N.m;由附加圆周力作用而作出的弯矩大小为1364N.m;故当附加圆周力作用在M-M截面时,M-M截面所承受的弯矩大小为附加圆周力作用弯矩大小和M-M截面承受的固有弯矩大小之和,为9976N.m.另外,辅助电机驱动时,齿轮轴M-M截面所受转矩大小为4543N.m.综上所述,当主电机驱动时M-M截面只承受弯矩,且承受的最大弯矩大小为2980N.m;而当辅助电机驱动时M-M截面受弯矩和转矩双重影响,其中该截面受到的最大弯矩大小为9976N.m,而转矩大小为4543N.m.由此可见,在辅助电机驱动时,M-M截面受到的影响较大,且较为容易发生断裂.最后,经计算当采用辅助电机驱动时,M-M截面直径处于合理范围,由此表明该减速机齿轮轴M-M截面直径大小设计合理.

(3)M-M截面疲劳强度安全系数核校.从上文中可以得出M-M截面直径设计合理,在设计上该截面为轴肩位置,且设计过渡圆角半径为3mm.按照《机械设计手册》核对,事实上该截面位置处于过渡周肩,应设计过渡圆角半径为10mm.下面就不同的情况,对该截面位置的疲劳强度安全系数进行核校.当采用主电机驱动时,并且过渡圆角为3mm时,该截面位置疲劳强度安全系数为4.722.此时该截面疲劳强度安全系数与只考虑弯矩作用是的安全系数一致;当采用辅助电机驱动,过渡圆角半径为3mm时,该截面疲劳强度安全系数为1.333,且只考虑弯矩作用的情况下安全系数为1.384,在只考虑转矩作用的情况下,安全系数为4.968;最后在此用辅助电机驱动,并且过渡圆角为10mm的情况下,只考虑弯矩作用时安全系数为2.076,只考虑转矩作用时安全系数为6.624,最后得出该截面疲劳强度安全系数为1.98.

(4)结论.当采用主电机驱动,过渡圆角半径为3mm时,M-M截面疲劳强度安全系数大于许用安全系数,合格;当采用辅助电机驱动,过渡圆角半径为3mm时,M-M截面疲劳强度安全系数低于许用安全系数,不合格;而当过渡圆角更改为10mm时,辅助电机驱动M-M截面疲劳强度安全系数大于许用安全系数,合格.由此推断,该企业主减速机高速齿轮断轴、断齿应该是在采用辅助电机驱动时由于安全系数不达标导致的.

2.3 避免减速机高速齿轮轴断齿、断轴的对策

通过上述分析,想要避免减速机高速齿轮断齿、断轴应该从以下几个方面着手,首先,是要确定优质的供货商,保证减速机高速齿轮自身的质量;其次,要加强对设备制造过程中的检验检测工作,做好其中的验收程序,保证投入生产的设备具有可靠的性能;再次,若投入使用的减速机运行异常,应对其进行综合性的分析,并探究其在设计上是否存在缺陷,若存在设计缺陷,则应进行及时更正,从而避免减速机高速齿轮断轴、断齿问题发生.