軋機(jī)減速機(jī)齒輪點(diǎn)蝕分析與預(yù)防

2013-08-15 00:54施銀輝

科技視界 2013年18期

施銀輝

（福建省三明鋼鐵廠勞動(dòng)服務(wù)公司，福建三明 365000）

軋機(jī)減速機(jī)做為軋機(jī)機(jī)組的重要設(shè)備，齒輪又是減速機(jī)的關(guān)鍵性部件，齒輪的損壞可能影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)或其他機(jī)械部件損壞，產(chǎn)生影響生產(chǎn)運(yùn)行的嚴(yán)重后果,給企業(yè)造成巨大損失。減速機(jī)質(zhì)量及使用情況成了冶金設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)能否在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的重要因素之一，絕大多數(shù)冶金設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和軋鋼企業(yè)曾被減速機(jī)齒輪損壞所困擾，尤其是高速重載大齒輪，因其制造成本高，多數(shù)企業(yè)無配置相應(yīng)的齒輪備件，一旦損壞，對(duì)生產(chǎn)的順利進(jìn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，齒輪在使用過程中的維護(hù)就尤為重要。在使用過程中，齒輪通常發(fā)生斷齒、齒面疲勞點(diǎn)飾剝落及齒面磨損等損壞形式，作為閉式傳動(dòng)重載減速機(jī)齒輪齒面疲勞點(diǎn)飾損壞是最普遍的失效形式之一。

1 齒輪疲勞損壞原因分析

齒輪齒面疲勞點(diǎn)飾損壞主要是因?yàn)檩嘄X工作時(shí)，其工作齒面上的接觸應(yīng)力是隨時(shí)間而變化的脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。齒面接觸應(yīng)力超過材料的接觸極限應(yīng)力時(shí),齒面表層會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋,裂紋的擴(kuò)展使表層金屬微粒剝落下來而形成一些小坑,俗稱點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕會(huì)使齒面減少承載面積,引起沖擊和噪音,嚴(yán)重時(shí)輪齒會(huì)折斷。根據(jù)損壞程度不同，點(diǎn)蝕可分為初始點(diǎn)蝕，破壞性點(diǎn)蝕。一般初始點(diǎn)蝕在齒輪磨合過程中可自行矯正或是擴(kuò)展性的，一般不致構(gòu)成破壞，而破壞性點(diǎn)蝕及表面剝落一旦出現(xiàn)，隨著齒輪的繼續(xù)使用點(diǎn)蝕和剝落區(qū)域不斷擴(kuò)大，可能導(dǎo)致齒面破壞，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)震動(dòng)加劇，傳動(dòng)噪聲增大。當(dāng)其損壞達(dá)到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致輪齒折斷，尤其是關(guān)鍵性齒輪的損壞，可能造成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)或機(jī)械部件損壞的嚴(yán)重后果。對(duì)損壞齒輪尤其是早期損壞的齒輪進(jìn)行失效分析，正確判定齒輪損壞類型和破損程度，找出損壞的產(chǎn)生原因，從而提出并采取有效的預(yù)防措施，可以較少或預(yù)防齒輪類似損壞事故的重復(fù)發(fā)生，以提高齒輪的使用壽命，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 齒輪疲勞點(diǎn)蝕損壞的預(yù)防

齒輪疲勞損壞的預(yù)防具體可分為三個(gè)階段：設(shè)計(jì)期、制造期、使用期。

2.1 設(shè)計(jì)期預(yù)防

齒輪輪齒相互嚙合傳動(dòng)過程中，輪齒的接觸疲勞表面作滾動(dòng)或滑動(dòng)復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸應(yīng)力的作用下,表面金屬會(huì)形成疲勞斷裂。對(duì)于齒輪來講，通常齒根的彎曲疲勞和齒面接觸疲勞兩種失效形式占多數(shù)。齒面接觸疲勞的計(jì)算主要是了解接觸應(yīng)力的大小，是判斷正常設(shè)計(jì)情況下，齒面是否可能發(fā)生接觸疲勞失效的理論依據(jù)。

輪齒表面和次表面金屬可能受拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力。接觸面間以純滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，沒有滑動(dòng)現(xiàn)象，類似于輪齒節(jié)線出的嚙合狀態(tài)，接觸表面在載荷作用金屬產(chǎn)生彈性變形，接觸區(qū)是以一定寬度的壓縮接觸而不是線接觸。壓縮帶中心區(qū)彈性壓縮最大接觸帶前后的金屬在應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性位移凸起，同時(shí)在該區(qū)域金屬皮下表層產(chǎn)生剪切應(yīng)力。應(yīng)力大小取決于金屬的彈性模量、金屬面承受的總壓力和接觸表面的曲率半徑。

選用材料彈性模量和接觸長(zhǎng)度一定時(shí)，接觸表面應(yīng)力大小與接觸表面的曲率半徑有關(guān)。曲率半徑越小，接觸帶就越窄，單位表面的接觸應(yīng)力也就越大。承載轉(zhuǎn)動(dòng)表面受力分析表面，承載齒輪在嚙合傳遞動(dòng)力過程中，輪齒表面各處承受著不同形式的應(yīng)力作用，齒面和皮下金屬在拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力作用下，經(jīng)過多次重復(fù)應(yīng)力作用后，齒面和皮下金屬可能產(chǎn)生微小裂紋形成疲勞源，隨之應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋將不斷擴(kuò)展以致相互連接起來形成小塊金屬脫落，齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕剝落，齒輪齒面產(chǎn)生疲勞損壞。

2.2 制造期預(yù)防

齒輪的點(diǎn)蝕的最主要原因是齒輪嚙合沒有達(dá)到足夠高的配合精度造成局部接觸應(yīng)力過載，導(dǎo)致疲勞損壞，因此可通過以下幾種方式加以預(yù)防和控制齒輪的損壞，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性：

2.2.1 提高齒輪加工精度

齒輪加工精度太低，造成嚙合的齒輪齒輪接觸不良容易造成局部齒面超負(fù)荷工作，使齒輪局部實(shí)際接觸應(yīng)力超過齒輪材料的許用接觸應(yīng)力。提高齒輪加工精度，減少齒輪副的兩中心線不平行或交叉偏差及加工時(shí)齒向誤差造成的精度誤差，有利于保證齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

2.2.2 保證齒輪材料質(zhì)量

重載大齒輪多以鑄造毛坯加工而成，齒輪毛坯材料的局部缺陷及其熱處理不均勻造成的點(diǎn)蝕往往比較平滑，所造成的點(diǎn)蝕往往發(fā)生在一小區(qū)域內(nèi)，這種情況往往造成齒輪局部強(qiáng)度不足，最終導(dǎo)致齒輪折斷的現(xiàn)象發(fā)生，就需要更換齒輪。因此優(yōu)良的鑄造和熱處理工藝水平就尤為重要。

2.2.3 安裝不良造成的齒面點(diǎn)蝕

齒輪的裝配及機(jī)體的安裝精度直接影響齒輪齒面的接觸面積，裝配時(shí)必須嚴(yán)格控制齒輪軸線與齒輪的軸線平行度誤差，精確調(diào)整減速機(jī)體與減速機(jī)底座及電機(jī)等配合部件的聯(lián)接精度，減少軸向和徑向跳動(dòng)，保證齒面的接觸精度，避免局部接觸應(yīng)力過大，可以有效減少齒輪點(diǎn)蝕疲勞現(xiàn)象。

2.3 使用期點(diǎn)蝕分析與預(yù)防

2.3.1 初始點(diǎn)蝕

重載傳動(dòng)齒輪的初始點(diǎn)蝕現(xiàn)象也是屢見不鮮的，新齒輪嚙合初期，常因齒面偏離漸開線曲面較大，在若干個(gè)微凸起處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，造成點(diǎn)蝕現(xiàn)象，點(diǎn)蝕區(qū)出現(xiàn)很淺的小麻點(diǎn)，一般較分散，有時(shí)伴隨有輕微的膠合磨損。。當(dāng)齒面經(jīng)過一段時(shí)間跑合后，微凸起處逐漸變平，從而擴(kuò)大了接觸區(qū)。又由于磨損、碾壓等原因使其表面接觸趨于平滑，高峰接觸應(yīng)力隨之降低，因而促使點(diǎn)蝕停止發(fā)展。實(shí)踐表明，這種點(diǎn)蝕一般情況下不再發(fā)展，經(jīng)過一定階段的嚙合磨合后就點(diǎn)蝕就會(huì)消失，因此這類點(diǎn)蝕一般不會(huì)造成損壞。

2.3.2 破壞性點(diǎn)蝕

破壞性點(diǎn)蝕多數(shù)出現(xiàn)于節(jié)線以下的齒根區(qū)域。這是由于齒根處曲率半徑較小，齒面接觸應(yīng)力較高的緣故。震動(dòng)齒輪在嚙合過程中，從齒根處初始接觸點(diǎn)開始，齒面曲率半徑逐漸增大，接觸應(yīng)力也隨之下降。通常重載傳動(dòng)的直齒輪，當(dāng)接觸點(diǎn)移至一定位置時(shí)，嚙合齒的數(shù)目由兩對(duì)牙齒變?yōu)橐粚?duì)，此時(shí)接觸應(yīng)力增至最大，當(dāng)接觸區(qū)域繼續(xù)向外移動(dòng)時(shí)，接觸應(yīng)力再次開始下降，每當(dāng)輪齒過負(fù)荷時(shí)，金屬表面可能產(chǎn)生疲勞損壞。通常在主動(dòng)齒輪的齒根區(qū)域，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作后可能出現(xiàn)破壞性點(diǎn)蝕，如果過負(fù)荷足夠大，短時(shí)間嚙合后就能產(chǎn)生這類點(diǎn)蝕破壞。

齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪相互接觸區(qū)承受相同的應(yīng)力，但在正常情況下，點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)于主動(dòng)齒輪的齒根部位。分析認(rèn)為這是主動(dòng)齒輪通常直徑較小，轉(zhuǎn)速較高，輪齒數(shù)目也較少，因而承受著較頻繁的重復(fù)應(yīng)力，此外主動(dòng)齒輪輪齒上滑動(dòng)方向與齒面間的滾動(dòng)方向相反，因此金屬表面產(chǎn)生過度伸張，促使疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最后導(dǎo)致齒面產(chǎn)生點(diǎn)蝕破壞。

破壞性點(diǎn)蝕通常呈小點(diǎn)狀金屬脫落形成凹坑，當(dāng)點(diǎn)蝕逐步擴(kuò)大或點(diǎn)蝕相互連接起來，可能造成較大面積破壞，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，傳動(dòng)噪音大。這種點(diǎn)蝕破壞發(fā)展到足夠程度時(shí)，可能導(dǎo)致輪齒斷裂，應(yīng)加以重視。