重載減速機(jī)齒輪裂紋處理

袁柏峰，廖甘標(biāo)

(中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510726)

重載減速機(jī)齒輪裂紋處理

袁柏峰，廖甘標(biāo)

(中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510726)

一臺(tái)進(jìn)口擠壓造粒系統(tǒng)的融熔泵減速機(jī)齒輪出現(xiàn)貫穿性裂紋，裂紋沿軸向長(zhǎng)192 mm，齒輪損壞導(dǎo)致造粒系統(tǒng)停產(chǎn)。分析了齒輪裂紋產(chǎn)生原因，對(duì)比了各種輪齒修復(fù)方案，重點(diǎn)介紹了齒輪冷焊修復(fù)的過(guò)程及注意事項(xiàng)。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，冷焊修復(fù)方法是齒輪修復(fù)的一種經(jīng)濟(jì)可行的應(yīng)急措施。

齒輪泵;重載減速機(jī);裂紋;冷焊

聚丙烯融熔泵減速機(jī)是擠壓造粒系統(tǒng)的重要設(shè)備，某廠的造粒系統(tǒng)在2013年1月檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)此減速機(jī)的三級(jí)減速大齒輪有1條長(zhǎng)裂紋，因齒輪沒(méi)有備件，加工新齒輪周期長(zhǎng)，為不影響生產(chǎn)，采用冷焊技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行修復(fù)。

齒輪箱三級(jí)減速，傳動(dòng)比為1∶22.7，出現(xiàn)裂紋的齒輪為第三級(jí)減速的大齒輪，齒輪為圓柱斜齒輪，齒圈式結(jié)構(gòu)，齒圈厚度30 mm，兩側(cè)輻板厚20 mm，齒輪模數(shù)11，齒數(shù)68，齒寬262 mm，螺旋角12.5°，材質(zhì)20CrMo。

1 裂紋產(chǎn)生的原因分析

齒輪損壞情況:輪齒受力面一側(cè)端部節(jié)圓附近有麻坑，麻坑背部齒根處有裂紋向兩邊擴(kuò)展，一邊沿輪齒斜向上延伸到齒頂后沿受力面往別一端擴(kuò)展，長(zhǎng)度約192 mm，約占齒長(zhǎng)2/3，裂紋另一端沿輻板延伸約100 mm，后來(lái)在修復(fù)去除裂紋時(shí)發(fā)現(xiàn)這些裂紋都為貫穿性裂紋，裂紋裂透齒圈和輻板。損壞的齒輪位置如圖1如示，對(duì)齒面和腹板側(cè)面裂紋情況進(jìn)行了著色檢查，齒面裂紋如圖2所示，輻板裂紋如圖3所示。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

圖2 齒面裂紋

圖3 輻板裂紋

1.1 齒輪裝配調(diào)整不當(dāng)

觀察損壞的齒輪，大部分輪齒受力面同一側(cè)近端部都存在或大或小的麻坑，輪齒中間部分到另一端都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)麻坑，說(shuō)明齒輪裝配時(shí)兩齒輪軸之間存在平行度誤差，使輪齒在整個(gè)齒寬上受力不均勻，出現(xiàn)“一端接觸”現(xiàn)象，從而在部分區(qū)域存在應(yīng)力集中。

1.2 重載且負(fù)荷波動(dòng)大

減速箱聯(lián)接擠壓機(jī)融熔泵，作用是對(duì)融熔的樹(shù)脂增壓，屬低速重載型減速箱。由于融熔泵的介質(zhì)為各種不同牌號(hào)樹(shù)脂，樹(shù)脂的融指相差較大，導(dǎo)致減速機(jī)傳遞扭矩變化大。2003年，還進(jìn)行了擠壓機(jī)擴(kuò)能改造，整機(jī)生產(chǎn)能力從13.3 t/h擴(kuò)大到15.5 t/h，但這臺(tái)減速機(jī)沒(méi)有改造，使設(shè)備處于滿負(fù)荷，甚至超負(fù)荷運(yùn)行，以上因素都容易使齒輪產(chǎn)生疲勞裂紋。

1.3 齒面熱處理不當(dāng)

經(jīng)檢測(cè)，輪齒工作面的硬度在HRC45左右，齒頂表面硬度為HRC53，齒面比齒頂?shù)挠捕让黠@較低，原因可能是由于齒面磨損較大。對(duì)于重載齒輪，硬度通常應(yīng)在HRC56以上，才能有較好的耐磨性和抗疲勞能力。相比而言，這個(gè)齒輪的硬度明顯偏低，容易在應(yīng)力集中部分出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

從以上可知，在齒輪熱處理后齒面硬度不夠，在重載荷的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)麻坑和微裂紋，微裂紋擴(kuò)展形成以上狀況。如果沒(méi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成斷齒事故，還可能引起其他齒輪的損環(huán)，甚至損壞整個(gè)齒輪箱。

2 冷焊修理

2.1 方案比選

融熔泵減速器是擠壓造粒系統(tǒng)的重要設(shè)備，減速器發(fā)生故障后整條造粒線都要停產(chǎn)，而新制造一個(gè)齒輪的生產(chǎn)周期至少2個(gè)月，停產(chǎn)將嚴(yán)重影響工廠經(jīng)濟(jì)效益，為減少對(duì)生產(chǎn)的影響，縮短檢修時(shí)間，決定對(duì)齒輪進(jìn)行修復(fù)處理，保證新齒輪到廠前能維持裝置生產(chǎn)。

目前常用的齒輪修復(fù)方法有:換向法，鑲齒法，堆焊法。換向法適用于齒輪面單面磨損，可將齒輪調(diào)換位置翻轉(zhuǎn)180°使用其未磨損一面，因該齒輪的裂紋在齒的工作面和背面都有，且是貫穿性裂紋，明顯不能采用換向法。鑲齒法不論是開(kāi)燕尾槽安裝還是焊接安裝都要求齒根部完好且有較高的強(qiáng)度，通常適用于負(fù)荷不大、轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)合，該齒輪因裂紋貫穿齒根，且為重載齒輪，因此鑲齒法也不適合。由于此齒輪材質(zhì)焊接性能較差，如采用普通的堆焊法，焊接熱量大，焊接件易產(chǎn)生較大的變形，齒圈式結(jié)構(gòu)的齒圈剛性差，焊接變形會(huì)更大，對(duì)有精密傳動(dòng)要求的齒輪明顯不合適，為此，采用冷焊技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行修復(fù)。

2.2 修復(fù)工藝

2.2.1 焊接工藝

為保證齒輪表面的硬度和齒輪不發(fā)生大的熱變形，選用冷焊工藝。所謂冷焊就是焊前不預(yù)熱、焊后不保溫，采用小參數(shù)進(jìn)行焊接。

焊接方法:氬弧焊。

焊絲:德國(guó)產(chǎn)12CrNi，φ1.2 mm。

焊接電流:70 A。

焊接注意事項(xiàng):間斷焊，控制焊接溫度，不超溫。

2.2.2修復(fù)過(guò)程

(1)清理裂紋，打磨焊接面。清理裂紋前在齒圈端面用30 mm厚鋼板做剛性固定，以減少以后施工產(chǎn)生變形。用φ2.0 mm碳弧氣刨清理掉全部裂紋。氣刨時(shí)，宜采用小電流，并間斷施工，盡量減少變形和熱影響區(qū)。去除裂紋后用手工砂輪機(jī)打磨修整，修磨目的是把碳刨面的氧化層和熱影響區(qū)磨掉，約磨去 1.5 mm厚。在清理打磨裂紋時(shí)，要注意保留齒頂和齒根沒(méi)有損傷的部分，以此作為修復(fù)的基準(zhǔn)面。打磨后著色探傷，確認(rèn)沒(méi)有殘余裂紋。清理完裂紋后的齒輪如圖4。

圖4 清理裂紋后的齒輪

(2)焊接輪齒。因?yàn)楹附恿看螅瑸闇p小焊接應(yīng)力與變形，應(yīng)采用多道、多層、多段的間斷焊接方法。從沒(méi)在裂紋的殘齒處開(kāi)始焊，焊出齒圈底部，焊完要對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，確認(rèn)沒(méi)有裂紋。焊完底部后沿齒高逐層焊接，直到焊完整個(gè)齒。要嚴(yán)格按焊接工藝焊接，嚴(yán)控電流和焊接熱影響區(qū)的溫度。

(3)焊接加強(qiáng)板?？紤]到腹板出現(xiàn)裂紋側(cè)受力大，為加強(qiáng)齒圈強(qiáng)度，在齒圈下部腹板上焊接一塊加強(qiáng)板(見(jiàn)圖5)。

圖5 樣板檢查齒形

(4)粗磨齒輪。在焊接齒輪的同時(shí)，根據(jù)齒輪的相關(guān)參數(shù)制做齒形樣板，以備磨齒輪時(shí)檢驗(yàn)齒輪外形。齒形樣板用線切割加工，為保證焊接新齒與相鄰齒之間的相對(duì)位置，齒形樣板必須跨3個(gè)齒。粗磨可用較粗的砂輪手工修磨，修磨過(guò)程用齒形樣板做參考。

(5)精磨齒輪。用細(xì)粒度砂輪對(duì)齒輪進(jìn)一步修磨，修磨時(shí)還是以齒形樣板做基準(zhǔn)，在齒輪上涂上藍(lán)丹，檢查齒輪和齒形樣板之間的貼合度。在精磨齒輪時(shí)，要注意檢查新焊齒兩側(cè)鄰近的齒輪。由于焊接過(guò)程必然會(huì)引起熱變形，鄰近齒的位置會(huì)發(fā)生輕微變化，用樣板檢查，如發(fā)現(xiàn)鄰近齒發(fā)生變形，應(yīng)先對(duì)鄰近齒進(jìn)行修磨，避免影響新齒的齒形檢查。齒形檢查見(jiàn)圖5。精磨齒輪后，測(cè)量齒面硬度為HRC42～46，硬度較低。

(6)裝配修形。通過(guò)精磨齒輪，齒輪已具備基本的外形尺寸，為了使齒面實(shí)際接觸狀況達(dá)到要求，還需對(duì)齒輪進(jìn)行修形。將修復(fù)的齒輪裝配到齒輪箱上，涂上紅丹檢查齒輪工作面接觸狀況，用手工砂輪機(jī)將影響接觸的高點(diǎn)去除。

3 強(qiáng)度校核

考慮到齒輪修復(fù)材質(zhì)與原齒輪不同，且表面沒(méi)法做熱處理，硬度偏低，依據(jù)GB/T 3480-97《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》對(duì)齒輪修復(fù)后接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核。

按輸入功率540 kW，輸入轉(zhuǎn)速1 311 r/min的額定工況進(jìn)行校核。通過(guò)輸入基本參數(shù)、齒輪幾何參數(shù)、材料及熱處理參數(shù) (齒輪硬度按HRC45)、接觸強(qiáng)度計(jì)算系統(tǒng)、彎曲強(qiáng)度計(jì)算系統(tǒng)等對(duì)接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行核算。

接觸應(yīng)力

式中:σH為接觸應(yīng)力，ZD單對(duì)齒嚙合系數(shù)，σHP為許用接觸應(yīng)力，KA、Kv、KHβ、KHα分別為使用系數(shù)、動(dòng)載系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 接觸強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算接觸強(qiáng)度安全系數(shù)小于最小接觸強(qiáng)度安全系數(shù)，焊接齒輪的接觸強(qiáng)度不足于滿足額定工況運(yùn)行要求，為此決定修復(fù)齒輪運(yùn)行期間，安排生產(chǎn)融熔指數(shù)高的樹(shù)脂，控制齒輪箱輸入電機(jī)的電流來(lái)控制齒輪的工作負(fù)荷。

4 結(jié)束語(yǔ)

修復(fù)后的齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)和修復(fù)前沒(méi)什么區(qū)別，滿足設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。齒輪箱投用后1周，打開(kāi)檢查孔檢查，沒(méi)發(fā)現(xiàn)裂紋等異常。設(shè)備運(yùn)行約兩個(gè)月，新做的齒輪到貨，對(duì)修復(fù)的齒輪進(jìn)行了更換。此次修復(fù)齒輪用最少的費(fèi)用投入解決了生產(chǎn)難題，滿足了在制做新齒輪期間維持生產(chǎn)的要求，說(shuō)明此種冷焊修復(fù)方法作為一種處理設(shè)備缺陷的臨時(shí)措施效果明顯，值得推廣。

【1】康蕊林.減速箱齒輪斷裂分析［J］.建筑機(jī)械化，2012 (12):79－80.

【2】石萬(wàn)凱，湯慶儒.基于裂紋擴(kuò)展的齒輪彎曲疲勞壽命仿真分析［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(12):30－33.

【3】胡小其，秦昊.齒輪斷裂失效機(jī)理分析［J］.裝備制造技術(shù)，2012(10):168－170.

TH132.46

B

1001－3881(2014)8－141－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.045

2013－07－04

袁柏峰，男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，從事設(shè)備管理工作。E－mail:yuanbf.gzsh@sinopec.com。