JLP250减速机行星轮开裂原因分析
2018-08-16王占光刘月梅
王占光，刘月梅
（焦作坚固水泥有限公司，河南 焦作 454002）
0 引 言
当今，立磨已成为水泥企业主要粉磨设备，多用于生料和煤粉粉磨，其运行的好坏直接影响企业效益，重要程度不言而喻。但近些年来，立磨减速机事故频发，特别是行星机构中的行星轮断齿、开裂事故经常发生，直接影响生产和企业效益。现就JLP250减速机行星轮开裂的原因进行分析，望能对制造厂家和使用单位起到借鉴作用。
1 JLP250B立磨减速机的运行情况及基本参数
JLP250减速机，装机容量2 500kW，速比33.01，输入转速990r/min。该机2013年10月投运，运行起初，除因原料易磨性及操作熟练程度影响振动较大外，其它时间一直运行良好，振动速度一直在3.5mm/s以下，运行功率保持在2 000kW以内，即使在振动跳停的情况下，也未出现过超载现象。
2017年8月15日，在立磨的一角发现有激震现象，两天后又消失，由于当时振动参数均未超限，也没有引起重视；8月27日，中控人员发现减速机进轴处水平振动由平时的2.1mm/s增大到3mm/s，遂将辊压由7.5MPa降到5.5MPa减产运行，没有料到7h后，总降跳闸，全厂停电，经检查发现生料磨减速机已经卡死，分析认为减速机故障致使电机堵转所致。
2 JLP250B减速机的损坏情况
2.1 损坏情况介绍
将减速机拉出，从上往下打开，发现四个行星轮的两个已经粉碎性开裂；一个裂成两半，一个出现裂纹，内齿圈断齿数个，太阳轮断齿3 个；行星轮轴承均已散架损坏，个别滚动体也裂为两半，见图1一组照片。
图1 JLP250减速机行星轮开裂组图
从照片上可以看出，太阳轮、内齿圈、轴承损坏的断口，均为新口，表面粗糙，漏出金属光泽。行星轮的断口，部分光滑发暗，居齿轮内侧，但没有明显的贝壳纹；部分粗糙，居齿轮外侧，有金属光泽。行星轮内孔与轴承外套接触部分有明显的相对滑动造成的拉伤痕迹，沟深0.2mm左右，颜色发蓝清晰。
2.2 减速机损坏原因的表观分析
从行星轮的断口形式分析，发暗说明曾经遇到过高温，且伴随有润滑油中极压剂的沉积断口，发蓝说明在断裂过程中有大量的热量生成，造成金属变色；光滑且没有明显的贝壳纹，符合脆性材料疲劳断裂特征；行星轮的新鲜断口，应为裂纹发展到一定程度，剩余部分超过强度极限而造成的突然断裂。
从减速机的其它部件即内齿圈、太阳轮的损坏断口看，全为新口，应为突然过载，造成的突然断裂，可以理解为行星轮断裂碎片挤压所致，从图片中看到断齿周边挤压的金属碎片，也就证明了这一点。轴承的散架与变色，说明轴承曾经发过热，也有运转不灵活的经历，轴承内外套及个别滚动体开裂及表现出的新鲜断口，分析认为是齿轮断裂后挤压所致。
3 行星轮的受力分析及应力计算
3.1 减速机零部件的基本参数
减速机型号JLP250B，装配功率2 500kW；高速轴转速990r/min；减速机速比33.033 3
一级螺旋伞小齿轮齿数Z1.1＝22
一级大伞齿轮齿数Z1.2＝46
二级小齿轮齿数Z2.1＝22
二级大齿轮齿数Z2.2＝69
三级太阳轮齿数Z3.1＝27；m＝14，分度圆直径d5=378mm＝0.378m
行星轮（4件）Z3.2＝41，m＝14，分度圆直径d6=574mm＝0.574m
内齿圈Z3.3＝109，m＝14，分度圆直径d7＝1 526mm＝1.256m
i1＝46/22＝2.091；
i2＝69/22＝3.136 4；
i3＝109/27+1＝5.037 0；
行星轮太阳轮中心距476mm。
3.2 行星轮的受力分析
首先，在太阳轮的推动下运转，受到周向力和径向力的作用；其二，与内齿圈啮合，内齿圈的周向和径向反力作用其上；其三，行轮轴作用其上的索引力。
（1）行星轮的周向力。
太阳轮扭矩
＝9 550×2 500/990×i1×i2=158 158.91（N.m）
F周=0.25×158 158.91/（0.5×0.378）
=209 104.91（N）
=21 239.08（kg）
测得行星轮齿宽330mm，壁厚50mm。
则行星轮壁上应力为：
21 239.08/5/33=128.72（kg/cm2）
（2）行星轮轴牵引力。
行星转架的扭矩：
9 550×2 500/990×33.01=796 074.49（N.m）
=80 819.75（kg.m）
行星轮与太阳轮的中心距：
（27+41）×14/2=476（mm）
每个行星轮轴的牵引力：
80 819.75×0.25/0.476=42 447.35（kg）
行星轮壁的应力：
42 447.35/5/33=257.26（kg/cm2）
（3）行星轮内壁与轴承温差60℃时对行星轮内壁的热涨应力：
行星轮内壁与轴承温差40℃时对行星轮内壁的热应力：
式中：2.1×1 000 000为钢的弹性模量，0.000 001 2为钢的热胀系数。
看起来轴承与行星轮内壁温差较大时，行星轮内壁会因轴承的热涨产生很大的拉应力。
综合：轴承与行星轮温差40℃时，行星轮内壁应力等于128.72+385.95+1 008=1 393.95（kg/cm2）。
轴承与行星轮温差在60℃时，行星轮内壁应力等于128.72+385.95+1 512=1 897.95（kg/cm2）。
4 行星轮开裂的原因分析
（1）在撇开其它因素的情况下，行星轮壁的正常应力很小，不足以造成行星轮壁的开裂。
（2）在撇开其它因素的情况下，轴承与行星轮壁的温差较大时，能够产生很大的拉应力，因为齿轮的需用应力一般选取1 500kg/cm2，所以当齿轮与轴承的温差＞40℃时，其产生的热涨力将会把齿轮撑裂。
（3）在材料及制造方面或许存在微裂纹，会在脉冲负荷的作用下，使裂纹扩张。
（4）当轮壁温度较大时，快速冷却也会使轮壁内侧因急剧收缩产生表面裂纹。
