硬齒面減速機疲勞分析

齒條疲勞斷裂發生在低速級齒輪付。觀察整個齒輪嚙合情況(以1997年1月份一次為例),發現嚙合齒輪由于接觸疲勞失效出現齒條大面積點蝕現象,斑點密集,個別片蝕凹坑寬度為10～15mm。其中間過渡齒輪軸剝落2條(編號為1號、2號),低速軸大齒輪剝落2條(編號為3號、4號)。觀察剝落掉的四個齒條斷裂情況:其中2、3、4號為深灰色韌性纖維狀斷口,嚙合節圓上有明顯壓痕,分析為1號齒條先剝落,產生擠壓導致2、3、4號齒條被動斷裂,斷口為超負載運行而引發的疲勞失效斷齒的正常斷口組織。而1號齒條表面呈淺灰色,平滑有光澤,斷齒為穿晶斷裂的解理斷口,是不正常的脆性斷口。

2.2　　對剝落的齒條進行理化分析

2.2.1　　硬度檢查　　根據齒條剝落的情況,在齒條的齒頂表面位置和齒條中間芯部位置進行洛氏硬度(HRC)測定。測定結果見表1。

表1　齒條硬度測定結果HRC

　　根據結果可知,齒輪軸齒頂表面硬度偏高,低速軸齒輪適中(工藝規范為HRC56～62),內外差異是屬于齒表面滲碳淬火處理后的正常情況。

2.2.2　　化學成分分析　　對四個齒條的齒表面及芯部不同位置取樣進行化學成分分析。化驗結果見表2。

表2　化學成分分析結果　%

　　從化驗結果可知,材料芯部成分還是比較均勻的,齒頂部含碳量偏高是由于齒面進行了滲碳處理,不同的是中間齒輪軸滲碳量高了一些。

2.2.3　　低倍組織檢查　　由于問題發生在中間齒輪軸上,因此對該軸進行橫向切片,做低倍酸洗宏觀檢查。如圖所示,中心疏松區域偏移左方2/3的區域,并微微可見方框形偏析。 

齒輪軸切面圖

而右方偏析狀重于左側,在邊沿有三個空洞,可分析為是內夾雜經切削酸洗后留下的痕跡。而左側五個齒的表面接觸狀況良好,有輕微的點蝕現象,經過運轉跑合后,接觸面擴大,接觸應力相應降低,點蝕停止發展是允許的停留性點蝕。而有問題的第八齒(即1號齒條)正好在右側,這也是反映出作為齒輪軸的材料,在鍛打壓力加工制造過程中,圓鋼中心線偏移或原材料進廠切頭不足造成的。,

2.2.4　　金相顯微組織檢查　　僅取1號樣做金相組織分析,觀察到其氧化物2.5級,硫化物3.0級,有硅酸鹽夾雜兩處,很顯然非金屬夾雜物是不合格的(標準規范≤2.5級)。

　從以上分析可知,中間齒輪軸(20CrMnTi)材料質量有問題,內部成分不均,加工制造過程及熱處理過程不當等綜合因素造成顯微晶面裂紋。超負載運行時,微觀裂紋穿晶擴展,導致宏觀裂變,造成齒條斷裂。其光亮斷口,也可證實這一點。

3　　減速機技術性能參數校核

　　硬齒面減速機多用于輕紡機械加工行業。近年來冶金企業也逐步采用,在原料皮帶輸送工藝中采用較多,而作為軋鋼設備中軋機列的主減速機使用還較少。因此,減速機的承載能力除受機械強度功率和熱平衡許用功率兩方面的限制外^〔1〕,還必須特別注意軋機運行的惡劣環境。在選用該型式的減速機時,應考慮環境、溫度、負載多變等因素的影響。

3.1　　工藝、設備、技術參數

3.1.1　　生產工藝負載參數　　1號軋機列:為φ318mm閉口式帶鋼二輥軋機,軋制力P為1000kN;主電機: N為570kW, n為740rpm;軋輥最大直徑D_max為φ340mm,輥寬度B為450mm;產品規格:寬度b為80～186mm,厚度σ為2.0～3.5mm。根據生產工藝流程計算得到軋制力, P_理想為856 kN。但是在生產實際中受溫度、環境及調整因素諸方面的影響,往往有P_實際大于P_理想,故以原軋機設計時名義軋制力P (1000kN)為基準。簡單計算軋制力矩(M_z)和有效功率(P₁)作為進行定性分析的參考數據。

　　根據: M_z=2PΨ ( Δh·R )^1/2〔1〕(1)

式中　P　——名義軋制力,1000 kN;

　　Δh　——絕對壓下量,6.5 mm;

　　Ψ　——力臂系數,熱軋取0.5;

　　R　——軋輥半徑,170 mm。

　　得:M_z=33.24(kN·m)。

根據:P₁=M_z·ω^〔1〕(2)

式中　P₁——有效功率;

　　ω　——軋輥角速度。

　　得:P₁=229.9 (kW)。

3.1.2　　減速機技術性能參數　　主減速機:ZLY450,中心距為765mm、速比為11.2、熱平衡許用功率P_c1為226kW、機械強度許用公稱功率P₀為737kW。

3.2　　對減速機校核計算

3.2.1　　機械功率(P_2m)校核根據:

　　　P_2m=P₂·K_A·K_B^〔2〕(3)

式中　P₂——計算功率,即有效功率P₁,229.9kW;

　　K_A——工況系數,1.5;

　　K_B——安全系數,1.5。

　　得:P_2m=517.3(kW)。

　　查表知公稱輸入功率P₀為737kW^〔2〕,則:P_2m＜P₀

　　這說明該減速機的機械功率可以滿足要求。

3.2.2　　熱功率(P_2t)校核根據:

　　　P_2t=P₂·f₁·f₂·f₃(4)

式中　f₁　——環境濕度系數,1.35;

　　f₂——載荷率系數,0.86;

　　f₃——公稱功率利用系數,1.5^〔1〕。

　　得:P_2t=400.4(kW)。

　　查表知熱功率P_c1為226kW^〔1〕,則:P_2m＞P_c1

　　這說明該減速機的熱功率不能滿足要求。

　根據以上簡單計算定性分析可知,該型式的減速機熱功率不能滿足生產實際要求,選用這種型式規格的減速機是不合適的。根據標準規范選用ZLY630方能適應(其P_c1為430kW)。

4　　措施

　根據生產實際情況，采取以下措施：

　　(1)與生產廠家協商,將中間齒輪軸的材料由20CrMnTi改為20CrMnMo,以提高其綜合機械性能,延長壽命。

　(2)調整壓下量,減輕負載杜絕低溫軋制,從而保證不會因軋制力過大,而使減速機熱功率值下降。

　(3)改善減速機環境條件,采取強制吹風,促使減速機體油溫降低等。

　　(4)細心維護操作,加強點檢,保證潤滑冷卻油量,并及時更換介質,以保證油質性能。

　(5)計劃增加油路循環設施;外加油箱油泵以流動的油液取代小容量機體油池不動油,進一步降低冷卻,上噴油也同時提高潤滑能力,改善接觸狀態。

5　　結束語

　通過分析認為減速機疲勞損壞的原因,一是由于該減速機加工制造過程中出現的質量問題;二是工藝設備選型有誤,熱功率不能滿足生產工藝的要求,造成實際運行過程中負載量大,隱蔽缺陷逐漸暴露出來,導致最終齒輪付接觸疲勞損壞,齒條剝落斷裂,設備報廢。因此，軋機硬齒面減速機的選用必須慎重。

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