曳引式电梯蜗轮轮齿失效原因分析及预防措施

2024-03-20邓石唐

设备管理与维修 2024年4期

关键词：蜗杆传动曳引机蜗轮

邓石唐

（河源市特种设备协会，广东河源 517000）

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，电梯作为一种垂直的交通运输工具，与人们日常生活的联系越来越紧密，同时电梯的运行安全也备受关注。曳引机作为电梯重要的动力驱动元件，其安全性能将严重影响电梯的安全运行。

根据减速箱是否有齿轮，电梯可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机两大类，其中有齿轮曳引机的主传动类型又可以分为蜗轮蜗杆式、行星齿轮式以及斜齿轮式3 种传动方式。蜗轮蜗杆式有齿轮曳引机良好的传动特性主要有3 个：

（1）比较大、结构非常紧凑。

（2）蜗杆和蜗轮轮齿的啮合是连续的，并且啮合的齿对数较多，因此其传动比较平稳，噪声也比较低。

（3）自锁性能良好。即当蜗杆的螺旋角小于齿轮间的当量摩擦角时，蜗杆传动就会启动自锁，也就是说只有蜗杆带动蜗轮，蜗轮是不可以带动蜗杆的。

因此蜗轮蜗杆式有齿轮曳引机在电梯中得到广泛应用，蜗轮蜗杆传动也是目前国内有齿轮曳引机使用最为广泛、技术最为成熟的一种。

近年来电梯冲顶等事故时有发生，其中因电梯蜗轮蜗杆轮齿失效引发的电梯安全事故或故障也有多起，如电梯冲顶、运行不平稳、运行抖动异常等。因此，开展电梯蜗轮蜗杆轮齿失效的原因分析以及相应的预防措施显得尤为必要。

1 电梯蜗轮蜗杆轮齿失效原因分析

1.1 轮齿磨损失效

轮齿磨损是电梯蜗轮蜗杆传动系统中最常见的一种形式，磨损原因主要有：

（1）由于材料和结构的原因，蜗杆的强度高于蜗齿，因此失效往往发生在蜗轮轮齿。目前蜗轮一般采用锡青铜材料制造，而蜗杆则采用45#淬钢（硬度至45～55 HRC）或40Cr 淬钢（硬度至50～55 HRC），蜗杆的硬度明显高于蜗轮，因此在蜗轮蜗杆在传动啮合过程中蜗轮轮齿容易先出现磨损。

（2）传动中使用的润滑油杂质过多且量少，润滑油牌号不符合润滑要求，未使用电梯蜗轮蜗杆传动专用的润滑油等，都会导致在轮齿表面难以形成油膜的保护，进而加剧轮齿的磨损。

（3）电梯安装时电梯蜗轮传动系统装配精度不够，轮齿接触面不均匀或接触面较少，加上电梯如果长时间使用、经常超负荷运转等，导致蜗轮韧性下降，加剧了蜗轮轮齿的磨损，最终导致轮齿磨损失效（图1）。

图1 电梯蜗轮轮齿磨损

1.2 轮齿折断失效

在电梯蜗轮传动系统，蜗轮轮齿折断也是较常见的失效形式，一般可分为疲劳折断和过载折断（图2）。

图2 轮齿疲劳折断

（1）出现疲劳折断的主要原因为，电梯长时间使用，轮齿长期处于较大的变载荷作用下，蜗轮轮齿根部因长期经受交变弯曲应力的作用，当蜗轮轮齿根部承受的应力超过轮齿材料本身的最大承受耐久极限，在轮齿根部易出现裂纹。随着电梯的继续荷载使用，蜗轮轮齿不断承受交变应力作用，轮齿根部裂纹不断扩大，最终导致轮齿局部或整个折断。

（2）出现过载折断的主要原因有：电梯蜗轮轮齿传动系统设计不当，轮齿材料选用错误及热处理工艺不符合要求，导致电梯蜗轮轮齿在偶然承受电梯载货峰值的冲击过程中，轮齿承受的载货超过了轮齿本身弯曲强度，因此容易导致轮齿过载折断；如果安装精度不够、蜗轮轮齿啮合面接触不均或接触面积小、装配的侧齿之间的间隙不当以及安装的刚度和位置不对等原因，也会导致轮齿的受力接触面偏向一端，当蜗轮轮齿受到集中载荷作用时，易导致轮齿沿受力接触面偏向的那一端发生局部轮齿折断。

1.3 轮齿齿面点蚀失效

轮齿表面点蚀也是蜗轮蜗杆传动系统较为典型的一种失效，出现点蚀的原因主要有3 个（图3）：

图3 蜗轮轮齿表面点蚀

（1）轮齿材料和硬度不符合要求。轮齿选用的材料以及经热处理工艺后，材料的硬度达不到使用要求，导致蜗轮轮齿表面的所能承受的疲劳接触应力强度降低，因此在电梯蜗轮蜗杆传动高强度高负荷工作中比较容易出现因承受的疲劳强度不足而出现齿面点蚀。

（2）蜗轮蜗杆轮齿安装装配精度不够。蜗轮轮齿安装精度达不到正常使用要求，如轮齿之间安装间隙误差大、啮合精度以及轮齿运动精度误差大等，这些因素会导致电梯蜗轮蜗杆传动过程中容易出现因轮齿接触不均或过度接触，轮齿表面应力集中或应力分布不均而出现轮齿表面点蚀。

（3）润滑油使用不当。在电梯蜗轮蜗杆传动系统中，润滑油发挥着重要的作用，一旦润滑油使用不当，如润滑油牌号错误，润滑油的油品黏度降低，在轮齿表面不易形成有效的保护黏膜，润滑性能降低；此外润滑油油位过高，在使用过程中，当润滑油温度过高，会降低润滑油的黏性，也会降低润滑油的润滑性能，导致轮齿表面的保护油膜厚度减小，最终出现齿面点蚀。

1.4 轮齿齿面胶合失效

轮齿齿面胶合也是电梯蜗轮蜗杆传动系统常见的一种失效形式（图4）。

图4 轮齿齿面胶合

导致蜗轮轮齿表面出现胶合的原因主要是，当电梯高速重载，蜗轮传动系统的润滑油油温快速上升，如果蜗轮蜗杆式曳引主机散热功能较差，润滑油的油温会持续上升、黏度下降，蜗轮轮齿表面保护油膜会遭到严重破坏，这样在电梯蜗轮蜗杆啮合的传动过程中，两轮齿接直接金属触面会产生瞬时高温，硬度较低的轮齿表面会熔焊在另一个轮齿表面上，再加上两齿面传动过程中的相对滑动，在较软的蜗轮轮齿表面上形成与滑动方向一致的撕裂沟痕，形成胶合。

2 防范措施

为降低电梯蜗轮蜗杆传动系统中轮齿发生以上失效概率，切实消除安全隐患发生的风险，本文提出了以下4 种防范措施。

（1）轮齿材料以及热处理工艺要符合使用要求。选择合适的轮齿材料并进行恰当热处理，使其强度和硬度能够满足电梯各种工况载荷下的运行要求，这样可以大大降低轮齿磨损、折断的风险，延长电梯蜗轮蜗杆传动系统的使用寿命。

（2）使用电梯蜗轮蜗杆指定的专用润滑油。不同型号规格电梯蜗轮蜗杆传动系统适用于不同的电梯载荷工况，使用的润滑油牌号也有区别，只有使用指定牌号的专用润滑油才能满足蜗轮传动系统润滑油的黏度和润滑性能要求，在轮齿表面形成良好的保护油膜，有效降低轮齿表面磨损、点蚀发生的风险。

（3）安装精度符合使用要求。电梯蜗轮蜗杆传动系统对于安装精度有比较严格的要求，在安装过程中如果出现安装精度不够，如间隙过大或过小、安装位置不准确等，则会导致轮齿啮合精度不符合要求，电梯在运行过程中可能会出现异常抖动或异响、运行不平稳，加大轮齿表面发生磨损、胶合失效的风险。因此，只有保障电梯蜗轮蜗杆传动系统的安装精度，才能提高轮齿的使用寿命，保障电梯安全平稳运行。

（4）加强日常维护保养。日常维护保养可以提取发现很多潜在的安全隐患，这对于提高蜗轮蜗杆传动系统的使用寿命具有重要作用。在日常维护保养过程中，如果发现润滑油油位过高、油温升过快，应通过调节油位和温升将有效降低轮齿表面胶合失效的风险；如果润滑油油位过低或润滑油杂质过多、黏度下降等，通过添加同牌号的润滑油或更换新的润滑油，也将有效降低蜗轮轮齿表面磨损和点蚀的风险。