齒條疲勞斷裂發(fā)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(fā)現(xiàn)嚙合齒輪由于接觸疲勞失效出現(xiàn)齒條大面積點蝕現(xiàn)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(jié)圓上有明顯壓痕,分析為1號齒條先剝落,產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致2、3、4號齒條被動斷裂,斷口為超負(fù)載運行而引發(fā)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(jìn)行理化分析
表1 齒條硬度測定結(jié)果HRC
測試位置 |
中間齒輪軸 |
低速級齒輪 |
||
1號 |
2號 |
3號 |
4號 |
|
齒頂 |
64 |
63 |
58 |
60 |
芯部 |
30 |
30 |
31 |
31 |
根據(jù)結(jié)果可知,齒輪軸齒頂表面硬度偏高,低速軸齒輪適中(工藝規(guī)范為HRC56～62),內(nèi)外差異是屬于齒表面滲碳淬火處理后的正常情況。
表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 %
取樣位置 |
C |
Mn |
Si |
Cr |
Ti |
|
齒頂部 |
1 |
0.65 |
0.98 |
0.26 |
1.18 |
0.094 |
2 |
0.64 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.092 |
|
3 |
0.62 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.085 |
|
4 |
0.62 |
0.95 |
0.24 |
1.09 |
0.082 |
|
齒芯部 |
1 |
0.30 |
0.97 |
0.24 |
1.14 |
0.091 |
2 |
0.27 |
0.97 |
0.22 |
1.14 |
0.090 |
|
3 |
0.22 |
0.95 |
0.23 |
1.12 |
0.084 |
|
4 |
0.23 |
0.96 |
0.24 |
1.10 |
0.084 |
|
GB3077-82 |
0.17～0.24 |
0.80～1.10 |
0.20～0.40 |
1.00～1.30 |
0.06～0.12 |
|
從化驗結(jié)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(jìn)行了滲碳處理,不同的是中間齒輪軸滲碳量高了一些。
齒輪軸切面圖
而右方偏析狀重于左側(cè),在邊沿有三個空洞,可分析為是內(nèi)夾雜經(jīng)切削酸洗后留下的痕跡。而左側(cè)五個齒的表面接觸狀況良好,有輕微的點蝕現(xiàn)象,經(jīng)過運轉(zhuǎn)跑合后,接觸面擴(kuò)大,接觸應(yīng)力相應(yīng)降低,點蝕停止發(fā)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(cè),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(jìn)廠切頭不足造成的。,
從以上分析可知,中間齒輪軸(20CrMnTi)材料質(zhì)量有問題,內(nèi)部成分不均,加工制造過程及熱處理過程不當(dāng)?shù)染C合因素造成顯微晶面裂紋。超負(fù)載運行時,微觀裂紋穿晶擴(kuò)展,導(dǎo)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(jī)技術(shù)性能參數(shù)校核
硬齒面減速機(jī)多用于輕紡機(jī)械加工行業(yè)。近年來冶金企業(yè)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(shè)備中軋機(jī)列的主減速機(jī)使用還較少。因此,減速機(jī)的承載能力除受機(jī)械強(qiáng)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(jī)運行的惡劣環(huán)境。在選用該型式的減速機(jī)時,應(yīng)考慮環(huán)境、溫度、負(fù)載多變等因素的影響。
3.1 工藝、設(shè)備、技術(shù)參數(shù)
根據(jù): Mz=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(shù),熱軋取0.5;
R ——軋輥半徑,170 mm。
得:Mz=33.24(kN·m)。
根據(jù):P1=Mz·ω〔1〕 (2)
式中 P1 ——有效功率;
ω ——軋輥角速度。
得:P1=229.9 (kW)。
3.2 對減速機(jī)校核計算
P2m=P2·KA·KB〔2〕 (3)
式中 P2 ——計算功率,即有效功率P1,229.9kW;
KA ——工況系數(shù),1.5;
KB——安全系數(shù),1.5。
得:P2m=517.3(kW)。
查表知公稱輸入功率P0為737kW〔2〕,則:P2m＜P0
這說明該減速機(jī)的機(jī)械功率可以滿足要求。
P2t=P2·f1·f2·f3(4)
式中 f1 ——環(huán)境濕度系數(shù),1.35;
f2 ——載荷率系數(shù),0.86;
f3 ——公稱功率利用系數(shù),1.5〔1〕。
得:P2t=400.4(kW)。
查表知熱功率Pc1為226kW〔1〕,則:P2m＞Pc1
這說明該減速機(jī)的熱功率不能滿足要求。
根據(jù)以上簡單計算定性分析可知,該型式的減速機(jī)熱功率不能滿足生產(chǎn)實際要求,選用這種型式規(guī)格的減速機(jī)是不合適的。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選用ZLY630方能適應(yīng)(其Pc1為430kW)。
4 措施
根據(jù)生產(chǎn)實際情況，采取以下措施：
(1)與生產(chǎn)廠家協(xié)商,將中間齒輪軸的材料由20CrMnTi改為20CrMnMo,以提高其綜合機(jī)械性能,延長壽命。
(2)調(diào)整壓下量,減輕負(fù)載杜絕低溫軋制,從而保證不會因軋制力過大,而使減速機(jī)熱功率值下降。
(3)改善減速機(jī)環(huán)境條件,采取強(qiáng)制吹風(fēng),促使減速機(jī)體油溫降低等。
(4)細(xì)心維護(hù)操作,加強(qiáng)點檢,保證潤滑冷卻油量,并及時更換介質(zhì),以保證油質(zhì)性能。
(5)計劃增加油路循環(huán)設(shè)施;外加油箱油泵以流動的油液取代小容量機(jī)體油池不動油,進(jìn)一步降低冷卻,上噴油也同時提高潤滑能力,改善接觸狀態(tài)。
5 結(jié)束語
通過分析認(rèn)為減速機(jī)疲勞損壞的原因,一是由于該減速機(jī)加工制造過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題;二是工藝設(shè)備選型有誤,熱功率不能滿足生產(chǎn)工藝的要求,造成實際運行過程中負(fù)載量大,隱蔽缺陷逐漸暴露出來,導(dǎo)致最終齒輪付接觸疲勞損壞,齒條剝落斷裂,設(shè)備報廢。因此，軋機(jī)硬齒面減速機(jī)的選用必須慎重。