履带收获机变速箱点蚀、打齿故障分析

2020-12-23周良田

绿色科技 2020年14期

周良田

摘要：指出了履带谷物收获机经常在水田、烂泥田作业，变速箱使用工况恶劣，负载大，使用400 h后故障率偏高，主要失效模式是换挡变速齿轮、挡位齿轮出现点蚀、打齿的现象。结合变速箱市场故障，经过厂内各种方案验证、排除，发现履带收获机打齿的主要原因有两个：一是啮合宽度只占齿轮宽度的59%;二是拨叉在换挡滑杆上的锁定力不足，在收获机行驶阻力较大时易脱挡，而齿轮在滑脱的瞬间因接触区极小而造成齿边缘压变形，造成接触区进一步减小，从而使得齿面承载力进一步下降，从而造成点蚀、打齿。为此，提出了改变齿轮倒角，以增加齿轮接触宽度;加大换挡滑杆拨叉锁定力，以防止脱挡，结果表明：大幅度提高了作业过程齿轮承载力，消除了脱挡瞬间造成齿面压溃问题，经厂内、市场验证，变速箱点蚀、打齿故障率大幅度下降。

关键词：履带谷物收获机;变速箱;啮合宽度;脱挡;点蚀;打齿

中图分类号：S225

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0230-03

1 引言

水稻是中国的主粮之一，在中国水稻收获的机械化率已达到97%，主要使用履带谷物收获机，该产品每年总销量约5万台，由于水稻收获时，经常在水田、烂泥田作业，使得变速箱使用工况恶劣，负载大。加之收获机近年来持续大型化，由2003年以前的喂入量1.5kg/s升级到6.0kg/s，整机重量不断提高，使得变速箱随同整机不断升级、加强。

经过15年的政府补贴拉动，履带谷物收获机国内市场市场饱有量持续增大，国内一般非跨区用户，一年作业时间在300 h左右，对于质保期一年的用户，其故障率较低。但对于某型号谷物收获机所配的变速箱（换挡方式：滑移齿轮），在400 h以后，该变速箱的换挡变速齿轮、挡位齿轮故障率开始显得比较突出，主要故障模式是齿面点蚀、打齿。

随着国内竞争形势越来越激烈，好多农机企业将变速箱质保期延长为两年，此问题将成为两年三包期内外部损失增加、用户不满的重要因素，急需解决。

2 问题现象及原因分析

2.1 变速箱齿轮故障率

通过市场服务人员检修变速箱的数据统计，变速箱齿轮故障率如表1所示。

2.2故障现象确认

主要两种失效模式：第一种是“一挡、三挡齿轮端部打齿”，第二种是“二挡齿轮齿面早期点蚀、后期整体打齿”，各挡齿轮传递关系见图1。

从图2可以看出，一、三挡不是整体打齿，而是端部打齿，所有一、三挡齿轮，以及与之啮合的换挡变速齿轮均有此趋势（或轻或重）。

从图3可以看出，二挡啮合的一对齿轮齿宽只啮合了2/3左右（通过测量啮合印痕，啮合比例只占齿宽的59%）。

2.3 原因分析

首先，对各齿轮进行了强度校核。

2011版化学工业出版社《现代机械设计手册》第3卷，第16篇“齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算”，计算确认二挡的一对啮合齿轮安全系数为2.04、2.16，三挡的一对啮合齿轮安全系数为1.77、1.83，一挡安全系数更高，理论上强度是够的。

其次：从挂挡是否到位分析。从图2中看出，三挡齿轮打齿不是整个齿面打齿，是从一侧打齿，说明不是整体强度问题，而是啮合不到位造成。无论从理论分析，还是挂挡试验，确认挡位是已挂到位的，挡位感明显，且通过拆检确认“挂挡后换挡齿轮、挡位齿轮均在正确位置”。

第三：可能存在脱挡情况。当脱挡时，齿轮在滑脱的瞬间因接触区极小而造成齿边缘压变形，造成接触区进一步减小，从而使得齿面承载力进一步下降，从而造成点蚀、打齿。

针对脱挡问题，经牵引试验（图4、图5），发现一、三挡的确易脱挡（二挡不脱挡），从图6可以看出，脱挡过程导致了齿轮端部已挤压变形（该变速箱是刚装机工作不到0.5 h，包括牵引试验时间），此种情况下，变形齿轮的齿面啮合宽度至少下降了25%，这也证实了脱挡是导致一、三挡打齿的主要原因，需要解决易脱挡问题。

第四：图3已证实二挡的啮合印痕只占齿宽的59%，说明按理论齿宽计算安全系数是不合理的，如果按实际59%啮合齿宽重新计算二挡的一对齿轮的安全系数，安全系数分别为1.20、1.27（实际的安全系数偏低）。

经进一步分析，发现二挡啮合只占齿宽的59%原因是：齿端部有90°倒角（为了挂挡顺利），从图3可以看出这对啮合齿轮，上部齿轮1是左侧倒角、下部齿轮2是右侧倒角，倒角部分不能与另一个轮齿啮合，导致只有中间59%齿面啮合。需要通过减小倒角，实现增加啮合宽度。

总之，“易脱挡”是导致一、三挡打齿主要原因;“齿轮端面倒角过大，导致啮合宽度不足”是导致二挡点蚀、打齿的主要原因。

3 改进与验证

3.1 解决易脱挡问题

通过对拨叉总成中的弹簧、钢球选型，调整拨叉在滑杆上的定位力，使得拨叉轴向换挡力原来的200 N增加到500～700 N（图4、图5为牵引力测试，图7为滑杆轴向换挡力检测）。

通过测试，各挡位不脱挡;证实拖拉机牵引力再大，也不会导致变速箱超载（表2）。

3.2 通过齿轮端面倒角改进，增加啮合宽度

档位齿轮端面倒尖角角度由90°改为110°（图8），减小倒角长度，增加齿面啮合长度，啮合宽度比由59%提高到80%。

二挡一对齿轮安全系数由1.20、1.27分别提高到1.63、1.73。

3.3 田間作业验证

将为验证效果，安排了两台改进后的变速箱进行田间试验，跟踪验证。经跟踪作业500 h，然后拆解观察，无点蚀、打齿迹象。自2020年3月份已批量投产体现，工作至今，无新点蚀、打齿现象发生。