减速机行星齿轮的断齿分析

冯罡

摘  要：随着经济和各行各业的快速发展，行星齿轮减速机作为辊压机的主要备件有不可替代的作用。行星齿轮减速机具有重量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低、适应性强等特点，其运行状态直接关系到生产效率的高低，轴承或齿轮一旦损坏将对生产线的连续运转产生重大影响，做好行星齿轮减速机的维护保养是辊压机粉磨系统高效运转的基础保障。本文对行星齿轮减速机在使用和运行中的使用技巧进行探讨，以延长其服役周期，减少故障率。

关键词：断齿;混晶;组织粗大;失效分析

引言

立磨行星齿轮主减速机是立磨运行的核心设备，巡检发现一运行2000h的JLP330B行星齿轮减速机出现的偏载问题，分析减速机的二级平行斜齿轮副啮合出现问题，分步骤排查出减速机的二级传动部位，主动平行斜齿轴轴系和从动斜齿轴轴系中心线不平行，成功排除故障。

1减速箱崩齿原因

综上，初步分析确定引发减速箱崩齿故障的原因如下：（1）该高速轴齿轮在设计时采用了齿、轴分离设计，且采用单键连接，在加工时也未过渡，造成齿轮与轴在传动过程中在键槽位置应力集中。（2）齿轮体未能有较好的热处理，其齿体内圈硬度过大，承受冲击能力较差。（3）在设备选型时，选取的安全系数十分低，滚筒所需扭矩与减速箱额定扭矩基本一致，在皮带机超负荷启动或者长时间作业导致减速箱高温运行过程中，造成超过减速箱額定扭矩的情况。

2断口形貌

（1）宏观形貌该行星齿轮的失效形式主要为一个轮齿沿着齿根完全断裂，另外在断裂轮齿附近有两轮齿的齿顶出现小块崩裂现象，这可能是断裂轮齿失效后挤压碰撞造成的。其余轮齿表面均完好，接触区磨损正常，没有明显的机械加工缺陷。检查齿面、齿根，未发现明显的机械加工缺陷，齿根未见凸台，齿部表面粗糙度符合技术要求。（2）断口形貌特征及断裂模式经观察，失效轮齿沿齿根部脆断，断口宏观上没有裂纹源，断口附近无明显的变形，断面结构较粗，由此可见，该断裂模式为一次性快速断裂，而非疲劳断裂。

3行星齿轮减速机的处理方法

3.1齿轮轴选型及齿轮硬度分析

减速箱齿轮啮合过程中，既有滚动又有滑动，齿面承受高接触应力，齿根承受高弯曲应力，这就要求制作齿轮的材料需要同时具备两种特性：一是齿轮表面具有足够的硬度，二是齿轮芯部要有足够的强度和韧性。一般而言，高负载齿轮的制作多采用锻钢作为胚料，按照齿坯处理方法和切齿工艺，制造齿轮的钢材及热处理方法分为2大类：（1）齿面硬度HB≤350，用中碳钢45号钢、50号钢或中碳合金钢40Gr、40MnB、35SiMn等进行调质或正火处理，终切齿可在热处理后进行。调质后硬度不高（HB=220～250），材料的综合性能（机械强度和冲右韧性等）比较好，适用于低速、中速和中等平稳载荷下工作。（2）齿面硬度HB≥350，用中碳钢和中碳合金钢进行表面淬火（齿面硬度HRG=50～55），或者用低碳钢和低碳合金钢进行表面掺碳淬火处理（齿面硬度HRG=58～63）。处理后齿面硬度高，齿芯韧性好，承载能力强，耐冲击，但加工难度大、成本高。采用硬度仪对齿轮表面以及内圈键槽位置进行多点测试，平均数据分别是HRC45和HRC43，内外硬度基本一致。

3.2传动部位主动斜齿轴及从动齿轮的齿面啮合

由于减速机二级传动处主动斜齿轮和从动齿轮的齿面啮合区域偏齿面的下半部分，啮合区域分散不集中，齿面啮合接触斑点在齿面的长度方向上占比小于40%，正常齿面啮合接触斑点在齿面的长度方向上占比不低于70%，由此得出齿面啮合已出现问题。当前首要工作是对主动和从动斜齿轮副齿面的啮合情况进行有效调整，所以考虑在减速机腔体内部将主动斜齿轮轴顶部调整垫片拆出，重新调整垫片的尺寸，从而使二级传动部位主动斜齿轴及从动齿轮的相对位置发生变化，最终实现整个二级平行斜齿轮副的齿面啮合发生变化。但是现实条件下，在减速机箱体内部，受减速机内部腔体空间设计限制，整个调整垫片的紧固螺栓无法拆卸，此方案未能成功实施。

3.3热处理质量

失效行星齿轮的表面热处理质量较好，没有异常。但是次表面和心部马氏体组织局部较粗大，马氏体针较长，马氏体粗大容易在次生及初生马氏体间形成微裂纹，降低表面冲击韧度。齿轮次表面及心部实际晶粒度为2.0-9.5级，出现混晶，这与局部马氏体粗大相符。混晶的存在大大降低了齿轮的强韧性，一旦遇到强烈冲击，将出现瞬时断裂，从而使齿轮早期失效。为了寻找混晶产生的原因，先将断齿混晶试块进行860℃保温2h后空冷，正火后得到的组织为较均匀的铁素体+珠光体的平衡组织;然后加热到930℃保温5h水淬，用饱和苦味酸水溶液腐蚀后晶粒度8.5级，说明钢锭为本质细晶粒钢。由此说明，混晶的产生是因钢锭锻造完成后未进行细化晶粒的正火或正火不充分导致产品热处理后组织遗传而造成的。锻造后正火可细化晶粒，获得比较均匀的组织和性能，不仅可为后续热处理工艺提供适宜的组织状态，还可消除粗大组织等某些热处理缺陷。因此，为了改善金属材料的切削加工性能、热处理工艺性能，消除某些缺陷，建议进行充分适宜的正火处理。

3.4日常维护的重点和监控方法

辊压机行星减速机日常维护、定期保养和损坏的早期发现非常重要，制定日常维护制度，定期请专业维护单位进行保养。每周两次观察减速机海底磁力棒螺栓和稀油站回油处是否有金属铁屑和粉末，一旦发现油路中有金属铁屑和粉末而且连续观察还呈增长趋势，则该减速机需立即停机检查，排除轴承和齿轮故障。一旦减速机出现振动和异响，需马上停机检查减速机内部是否出现故障，未经过故障复核不得再次开机，以免造成重大设备故障。辊压机行星减速机测温处一般设置在高速轴处，一旦减速机高速轴处出现高温需检查进油量大小、润滑过滤器是否堵塞和减速机与电动机同轴性、万向联轴器振动及是否存在轴承跑外圈、轴承游隙过大过小等问题。建立完备的有关设备的安装、操作使用、维护、备品备件、零部件和维修作业标准数据库，一旦设备出现故障，可以及时调阅设备数据库查询设备及故障部件的型号规格参数以及库存情况，可在最短时间内对设备部件进行更换及故障修复。在设备的生命周期内所有改变的数据精心准确记录，并且可以查询，包括文档、图像、维护人员、更新配件的数量和型号等。

结语

为保障立磨行星齿轮减速机的安全无故障运行，我们实施了上述一系列措施，整个过程从发现问题、逐项排查原因到找到问题源头，最终到解决问题，经历了诸多的变数和考验。同时我们对立磨行星齿轮减速机的设备结构有了更加深层次的理解，逐步掌握了立磨减速机高速轴轴向间隙测定、螺旋伞齿副啮合侧隙测量、平行斜齿轮副齿面啮合调整等装配技术方法，为日后分析处理立磨行星减速机故障打下坚实的技术基础。减速箱的崩齿故障，列举出有可能引起减速箱崩齿损坏的因素并逐一进行论证与分析，最后得出引发减速箱崩齿的可能原因为轴键设计存在应力集中及齿轮体热处理不当。

参考文献

[1] 张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2020：154-155.

[2] 丁惠麟，金荣芳.机械零件缺陷、失效分析与实例[M].北京：化学工业出版社，2020：266-277，323.

[3] 李茅坪.高速钢电火花线切割加工白亮层的研究[J].电加工与模具，2020（3）：36-38.

2711501705375