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行星齿轮减速机材料失灵分析及应对措施

编辑:正名机械发布时间:2019-03-15

  1概述
  包钢线材厂是包钢的主体成材厂, 有良好的经济(jīng jì)效益。但由于设备(shèbèi)陈旧, 装备水平低, 有的设备零件寿命很短, 严重影响到正常生产和公司经济效益。中轧机组主减速机(Retarder)齿轮寿命短就是突出的事例。一般寿命仅一年左右, 频繁检修, 更换备件不仅花费大量的维修费用, 更严重的是停工停产, 经济损失(loss)巨大。
  包钢设备(shèbèi)管理(guǎn lǐ)部门及线材厂十分重视这个问题(Emerson), 曾请国内有关齿轮(Gear)权威和专业工厂来诊断, 提出过非常多好的建议, 有的提出报告采用硬齿面齿轮, 但由于包钢目前经济困难, 且工艺落后, 只能采取花费少的办法。行星齿轮减速机又称为行星减速机,伺服减速机。在减速机家族中,行星减速机以其体积小,传动效率高,减速范围广,精度高等诸多优点,而被广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。其作用就是在保证精密传动的前提下,主要被用来降低转速增大扭矩和降低负载/电机的转动惯量比。因此, 只能在原图纸提供的齿数、模数的基础上对材质、齿宽进行分析改造, 确定了两种方案:加宽、轴齿轮齿面, 改变材质、增加强度;加大齿轮模数, 最大化减少齿数改变螺旋角以保证中心距和速比, 提高减速机寿命(lifetime)。
  2 主减速机的概况
  主减速机用于拖动三台分减速机, 带动六架320 中轧机, 如图一示。由于带动多机架工作, 一是负荷大( 主马达 1600KW, N= 500
  R、
  P、M) ; 二是在不同时间, 不同机架, 不同状况下工作, 负荷变化很大产生巨大的冲击; 三是近来生产率不断提高, 负荷猛增出力达到空前水平; 四是总体设备水平低, 先天不足隐患较多; 五是当时工厂上马仓促有的方面还未完善。
  综合上述情况, 我们认为一般性的提高制造精度及材质挡次难以彻底解决齿轮短命问题, 必须有一个突破性方案, 但由于条件所限, 不能大动 干戈, 难度比较大, 所以在减速机本身多作文章, 减速机设计采用分流式。这种结构是很合理的, 尽管结构复杂一些, 但由于齿轮相对轴承(bearing)对称设置与尺展开式相比载荷沿齿宽分布均匀(jūn yún), 轴承受载也均匀, 中间轴危险截面上转矩占相当于轴所传递转矩之半, 所以适用于变载荷的场合下使用。但为什么寿命这么短呢 经过我们剖析、计算, 认为有下列原因:( 1) 齿轮强度不够, 模数偏小;( 2) 齿轮重迭(dié)系数偏小, 瞬时接触齿数太少;( 3) 齿轮采用 S
  I、Mn 系列钢, 工艺不易, 控制, 产生回火脆性, 且对裂纹敏感性大, 生产中不好掌握(熟知并能运用) ;( 4) 齿宽偏小, 特别是一级齿轮(Gear)更小;( 5) 箱体太单薄, 难以承受冲击载荷;( 6) 轴承(bearing)盖用二条载丝固定且无防松装置, 极易松动, 导致(cause)中心距改变, 产生打齿;( 7) 制造精度低, 齿面接触差。
  3 主减速机齿轮(Gear)失效状况
  损坏严重的主要是一级被动齿轮打齿, 并伴随严重点蚀, 胶合及擦伤等。
  (1) 间断性打齿, 并非由于齿轮本身缺陷所致,一种原因是异物夹入, 另一种原因是轴承盖松动或轴承损坏;
  (2) 熔蚀性损坏, 沿齿中部齿顶产生熔蚀, 金属移位, 这种情况是由于减速机突然断油, 齿轮干磨产生瞬间高温, 金属强度大大降低几近熔化(定义:物质由固态变成液态的变化过程), 并交织着金属变形及胶合等状况( 负荷大) ;
  ( 3) 产生严重点蚀, 剥落, 擦伤及冲击性断齿, 主要是齿轮接触强度不够, 接触不好及偏载产生高的接触应力形成点蚀扩展;
  除上述一级被动齿轮严重失效外, 其它齿轮也产生不同程度的损坏, 但未达到失效程度。
  4 齿轮失效剖析
  齿轮强度不够, 模数偏小。行星齿轮减速机又称为行星减速机,伺服减速机。在减速机家族中,行星减速机以其体积小,传动效率高,减速范围广,精度高等诸多优点,而被广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。其作用就是在保证精密传动的前提下,主要被用来降低转速增大扭矩和降低负载/电机的转动惯量比。由于一级齿轮多次断齿, 故对其重点进行核算, 特别是对弯曲强度校核。
  4 1 弯曲强度校核公式
  4 2 强度校核
  对原设计图纸校核第一级。硬齿面齿轮减速机传动的效率是所有传动式中效率最高的一种,其效率比蜗杆传动要高的多。齿轮减速机的效率主要由齿轮及轴承的摩擦决定。
  强度校核结论
  1) 模数太小( 计算最小模数 Mn= 
  14. 77 原图模数= Mn= 14) ;2) 弯曲应力大于许用值( 小齿轮(Gear)计算值 28 27,许用值 29 27) ; 大齿轮计算值 26 284, 许用值 23) ;3) 弯曲强度系数太小( 小齿轮计算值为 1 11 偏小, 大齿轮计算值为 0 937 不安全) ;4) 一级齿轮接触应力大于许用值( 小齿轮计算值 119 14, 许用值 112, 大齿轮计算值为 84, 54,许用值 68, 相差太大) ;5) 接触强度安全系数太小S H1 = 1 33 S H2 = 0 94( 不能保证安全)
  从上述 5 点得知, 一级齿轮在解除状况下萘, 特别是被动齿轮根本无法保证安全使用, 这是理论与实际相符合的。
  4 3 齿轮(Gear)采用SiMn 钢质量难控制
  采用SiMn 钢价格比较便宜, 综合性能比较高,Mn 有较强的固溶作用, 是良好的胶氧剂。Mn 可以增加淬透性, 提高耐磨性; Si 有强化固溶作用, 增加淬透性和回火稳定性, 但这种钢易产生回火脆性, 出现裂纹。
  4 4 齿宽偏小, 特别是一级齿轮更小
  5 提高齿轮寿命(lifetime)的对策
  5 1 加大第一级齿轮模数
  将第一级齿轮模数由Mn= 14 提高到 Mn= 16,速比、中心距保持不变, 齿数和螺旋角改变。
  结论: 第一级模数提高到 Mn= 16, 强度是可以保证。
  5 2 增加一级齿轮宽度
  尽可能不在原箱体内增大宽度, 通过箱体测算最大可加宽 60mm, 即 b= 180+ 60, 按比例计算可增加强度三分之一, 由于加工精度实际齿宽达不到这个效果。
  5 3 严格控制制造质量, 提高关键(解释:比喻事物的重要组成部分)部位精度
  一级齿轮加工, 必须保证同一台机床进行加工, 以保证螺旋角相同, 尽可能保证键槽形位公差, 以保证装配质量。
  5 4 由于改变模数、齿数、螺旋角相对增大了齿轮(Gear)轴向推力, 主动齿轮内推, 被动齿轮向外推, 故不能采用原被动齿轮配合, 235Ht/ n6, 而采用 235Ht/ s6 配合以保证轴与齿轮的相对运动。
  6 结语
  通过以上论述剖析和采取的对策, 完全保证了我厂中轧主减速机(Retarder)使用的可靠性, 避免了因减速机齿轮寿命(lifetime)短影响生产的这一缺陷, 使我们这套落后的设备(shèbèi)适应了现在的生产。


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