挖掘机轮齿失效分析与研究

郜海超

[摘要]：随着挖掘机在工程项目中的逐渐应用，回转支承的断齿几率显著增大，针对挖掘机在作业时，斗齿磨损失效的有效防控进行了全面的分析。分析了轮齿失效的原因，提出了提高轮齿性能的方案。

[关键词]：挖掘机 回转支承 轮齿折断

0前言

每一种品牌的国产挖掘机使用回转支承的断齿概率都存在一定的差异，而挖掘机的售后配件市场反映的回转支承断齿率却非常的高，甚至有些国产品牌的挖掘机出现过两位数百分比的大面积回转支承断齿问题。通常情况下，回转支承出现断齿的部位主要是内啮合和硬齿面，但是外啮合和软齿面的回转支承却很少出现断齿的问题。下文主要是阐述回转支承内啮合和硬齿面容易出现断齿的原因，以及对其提出采用鼓形齿回转支承的解决对策，更好地解决断齿问题。

1挖掘机回转支承失效现象

回转支承实测几何尺寸为：外径1620mm，内径1275mm，厚度125mm，内齿圈齿数92个，齿长135mm，齿高30mm，齿顶厚度8mm，齿根厚度35mm。内齿圈齿形为直齿。

回转支承内齿圈共有18个齿严重损坏，损坏的18个齿呈现连续排列特征，占比达到圆周总长度五分之一的区域，分度圆以上的齿高被磨损殆尽，只余下分度圆以下的齿根部分。未见断齿痕迹。

回转支承在使用时还会出现回转支承过程中，出现卡死、滚道压陷、压裂等非正常失效现象。

2分析回转支承出现断齿的原因

挖掘机在工作的过程中，容易产生一定的倾翻力矩，从而导致小齿轮的中心线出现一定的倾斜角度和径向位移，由此齿轮传动的中心距会相应产生一定的变化，齿侧间隙也不例外。通常情况下，挖掘机使用的回转支承的出厂间隙最好要小于0.2毫米，在经过一段时间的投入使用后，回转支承的间隙会有一定程度的变大。其实，在挖掘机的实际工作中，回转支承的滚道一般都会产生一定的变形。

回转支承的结构类似于滚动轴承，外圈固定在挖掘机下车架上，内圈为内齿轮圈，固定在上车架上，外圈与内圈之间有球形滚珠。挖掘机上车架的360度回转运动是由回转减速机带动回转支承内齿轮圈转动实现的。

用清洗油將回转支承内齿圈清洗后，除受损的18个齿以外的轮齿齿形完整，齿面光滑，齿顶和齿根均未见损坏，齿顶厚度基本均匀相等，可以基本判定在工作过程中回转支承与回转减速机之间啮合良好，中心线平行，中心距正确，没有发生磨损性损坏现象。

经分析，回转支承内齿圈的18个齿最早出现损坏，然后通过齿轮之间的相互啮合关系导致了减速机圆柱齿轮轮齿的损坏。

齿轮内圈8个齿的损坏特征与其他未损坏的轮齿相比较，在表象上没有出现过渡性区域，可以基本判定包含这18个齿的齿圈区域存在制造缺陷或者是原材料缺陷。

回转支承内齿圈是锻造材质，金属材料经过锻造加工可以基本消除原材料内部的缺陷，因此，可以基本排除原材料存在缺陷的可能性。

回转支承内齿圈在加工过程中，为了提高轮齿齿面硬度、增强轮齿表面的耐磨性能，必然要采用热处理工艺，齿圈的热处理工艺一般为：加热（900度）——淬火（油冷）——回火（550度），结合回转支承内齿圈18个齿损坏特征分析，可以基本判定包含这18个齿的齿圈区域在热处理过程中，表面硬度和耐磨性能没有达到技术要求。

3改进措施

（1）提高回转支承的安全系数

回转支承经常在低速大载荷工况下进行，计算的承载能力应该提高净容量与当量载荷的比值，让回转支承在完全安全的范围内工作。

（2）提高回转支承制造精度

据现有资料介绍，目前小吨位起重机回转支承较之大吨位起重机回转支承的接触应力要小，实际安全系数较高。而起重机吨位越大，则其回转支承直径越大，制造精度越低，其安全系数实际上反而较低，这就是大吨位起重机回转支承比小吨位起重机回转支承更容易损坏的根本原因。所以提高大吨位起重机回转支承的制造精度也是改善轮齿折断的一个重要措施。

（3）改善回转支承热处理工艺

回转支承本身的加工质量受制造精度、轴向间隙和热处理状态的影响很大，这里容易忽略的因素是热处理状态的影响。显然，要使滚道表面不产生裂纹及压陷，就要求滚道表面除具有足够的硬度而外，还必须具有足够的硬化层深度和心部硬度。据国外资料介绍，滚道硬化层深度应随滚动体的增大而加厚，最深可超过6mm以上，心部硬度也应较高，这样滚道才会有较高的抗压溃能力。所以回转支承滚道表面淬硬层深度不足，心部硬度偏低，也是造成其损坏的原因之一。

（4）选用优良的材料

回转支承滚动体采用整体淬硬的碳铬轴承钢。牌号为GCr15或GCr15SiMn钢制造；湛泸回转支承套圈则采用表面淬硬钢等优质材料。通过有限元分析，适当加大转台与回转支承相连部位的板材厚度，以便提高转台的结构刚度。

4结论

通过以上各项的查看和分析，可以基本认定占比达到圆周总长度五分之一区域的18个齿是导致挖掘机回转系统损坏事故的事故源。

挖掘机回转减速机和回转支承受损，是回转支承内齿圈上连续排列的18个齿在热处理过程中表面硬度和耐磨性没有达到技术要求，在内齿圈18个齿损坏后又导致了回转减速机的损坏。

参考文献：

[1]叶国林.回转支承的安装和使用[J].工程机械.2012，01（12）：20-25.[2]陈晓天.回转支承的合理使用[J].工程机械.2013，12（11）：50-60.[3]李和明，李建全.回转支承异常声响的排除及垫厚计算公式[J].工程机械，2O12，09（11）：99-110.

[4]郭红，刘英，李卫等.挖掘机斗齿的磨损机制与选材研究[J].材料导报，2014（7）： 99-103.

[5]杨烈，李奇林.挖掘机斗齿结构改进及分析[J].工程机械，2010， 41（12）：1219.

[6]周志丹，陈炬，刘金龙，等.提高挖掘机斗齿寿命的研究现状和发展[J].煤矿机械，2011， 32（3）：120-156.