挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承早期斷齒故障分析

摘要：挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承的早期故障主要有斷齒和滾道破壞。在日常使用中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈發(fā)生斷齒的情況較多，且容易發(fā)生在從挖掘機(jī)出廠6個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)，不僅影響了制造廠商的質(zhì)量形象，也威脅著主機(jī)產(chǎn)品的可靠性。文章通過對(duì)斷齒樣品的收集、檢測(cè)、化驗(yàn)、計(jì)算并進(jìn)行綜合分析，找出了深層次的原因，并提出了解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)支承；早期斷齒；嚙齒間隙；熱處理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH133 文章編號(hào)：1009-2374（2015）13-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.040

各類型號(hào)的挖掘機(jī)都由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置三部分組成，回轉(zhuǎn)裝置安裝在挖掘機(jī)上、下機(jī)架之間。挖掘機(jī)工作裝置工作時(shí)，上部轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了巨大的慣性與離心力，加之挖掘時(shí)不確定的阻力大小和頻繁換向的沖擊力，易導(dǎo)致斷齒現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)斷齒在軟齒面、外嚙合的回轉(zhuǎn)支承中極少發(fā)生，而在硬齒面、內(nèi)嚙合的回轉(zhuǎn)支承上卻屢見不鮮。那么挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承早期易發(fā)生斷齒的根本原因是什么呢？經(jīng)過仔細(xì)分析，我們不難發(fā)現(xiàn)問題所在。

將收集而來的斷齒樣本經(jīng)過檢測(cè)，通過把檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)照，發(fā)現(xiàn)其原材料標(biāo)準(zhǔn)、性能參數(shù)、熱處理水平、表面處理的要求都滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，即產(chǎn)品質(zhì)量沒有任何問題，加之又是原廠配件，但仍出現(xiàn)斷齒問題，所以我們只能在裝配工藝與產(chǎn)品設(shè)計(jì)上來尋找斷齒故障頻發(fā)的原因。下面我們來進(jìn)行挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒的故障分析。

1 輪齒間隙原因

1.1 輪齒間隙標(biāo)準(zhǔn)

一般情況下，按照國(guó)家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，中小型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承在出廠時(shí)間隙必須小于0.20mm，在使用過一段時(shí)間之后，回轉(zhuǎn)支承的間隙也不得大于0.30mm。而大型挖掘機(jī)可適當(dāng)加大間隙，但也必須滿足相應(yīng)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1.2 實(shí)際工作情況

挖掘機(jī)工作時(shí)，上部轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了巨大的慣性與離心力，支承滾道內(nèi)的鋼珠受力擠壓滾道，令其產(chǎn)生形變，此時(shí)回轉(zhuǎn)支承的徑向間隙要比空載時(shí)的間隙大得多，一般單側(cè)在0.21mm左右，雙側(cè)就為0.42mm。再加上機(jī)架等的變形，齒輪發(fā)生徑向偏移的量甚至能達(dá)到0.90mm甚至更多。在實(shí)際工作中，由于回轉(zhuǎn)支承徑向間隙的存在，當(dāng)大臂受力時(shí)，回轉(zhuǎn)支承沿大臂受力方向的反方向發(fā)生位移（位移大小與間隙一致），在位移過程中，當(dāng)回轉(zhuǎn)支承與嚙合的小齒輪之間的齒側(cè)間隙過小時(shí)，還未完成位移，小齒輪就已壓住大齒輪。本應(yīng)由滾道承載的負(fù)荷卻由齒輪代為承受，最終導(dǎo)致了斷齒現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 解決辦法

實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)在滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，挖掘機(jī)所采用的回轉(zhuǎn)支承的齒輪模數(shù)要比滾道直徑相同的其他大型機(jī)械采用的回轉(zhuǎn)支承齒輪模數(shù)要大一檔，提高齒輪的承載能力。并根據(jù)挖掘機(jī)型號(hào)，嚴(yán)格控制回轉(zhuǎn)支承的出廠間隙，防止?jié)L道受力產(chǎn)生形變時(shí)，回轉(zhuǎn)支承徑向間隙過大，導(dǎo)致位移過多，大小齒輪擠壓造成斷齒。同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整回轉(zhuǎn)支承齒圈與小齒輪的齒側(cè)間隙，以滿足挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承的特殊需要。

2 熱處理標(biāo)準(zhǔn)過低的原因

2.1 國(guó)家關(guān)于回轉(zhuǎn)支承熱處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由于回轉(zhuǎn)支承適用的行業(yè)領(lǐng)域?qū)挿?，因此為適應(yīng)大多數(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，降低生產(chǎn)成本，依據(jù)國(guó)家頒布的回轉(zhuǎn)支承的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，回轉(zhuǎn)支承經(jīng)熱處理后，調(diào)質(zhì)硬度標(biāo)準(zhǔn)一般為207～262HB。

2.2 實(shí)際使用時(shí)的情況

但是由于挖掘機(jī)工作環(huán)境差、負(fù)荷大、受力強(qiáng)、工況復(fù)雜，其支承內(nèi)圈在工作過程中，較易發(fā)生形變?；剞D(zhuǎn)支承斷齒等故障多發(fā)，因此國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不太適合挖掘機(jī)這一特殊機(jī)械種類。

2.3 解決辦法

之前論述了挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承的斷齒原因主要是輪齒徑向受力擠壓。因此，提高大小齒輪承受徑向擠壓時(shí)抗形變的能力是斷齒故障研究的主要方向之一。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，我們嘗試改進(jìn)回轉(zhuǎn)支承輪齒生產(chǎn)中的淬火工藝。其主要技巧是在回轉(zhuǎn)支承輪齒熱處理的工藝過程中，在進(jìn)行感應(yīng)淬火及回火工序時(shí)，保證輪齒在回火工序中足夠的保溫時(shí)間。由于淬火及回火工序的目的是將輪齒的組織材質(zhì)由奧氏體/馬氏體轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，而一旦回火工序保溫時(shí)間不夠，材質(zhì)未充分轉(zhuǎn)化，那么在實(shí)際的使用過程中，由于挖掘機(jī)巨大的沖擊負(fù)荷，輪齒遭受強(qiáng)大內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，會(huì)引發(fā)類似的組織材質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而引發(fā)受力混亂，易發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

通過這樣改進(jìn)生產(chǎn)工藝，防止在使用過程中出現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變，提高輪齒抗形變的能力，可以有效減少挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒故障的產(chǎn)生。

3 裝配工藝原因

除了以上所描述的相關(guān)原因，挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承使用早期斷齒故障頻發(fā)也可能是由于在生產(chǎn)裝配階段出現(xiàn)了偏差，從而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。

通過對(duì)斷齒樣品進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)回轉(zhuǎn)支承的斷齒發(fā)生在輪齒的上半部分，這其中一半以上的樣品斷裂面和輪齒上表面相交，并成50°左右的夾角。即使是在全齒脫落的樣品中斷齒的裂紋也是從上到下擴(kuò)張而來。齒輪受壓產(chǎn)生塑性形變的痕跡也相當(dāng)明顯，與其他樣品相同的是斷裂面上部的情形較下部斷裂要嚴(yán)重得多。

據(jù)此，我們認(rèn)定造成挖掘機(jī)發(fā)生早期回轉(zhuǎn)支承斷齒不是受其周向回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力擠壓所致，而是由與之進(jìn)行嚙合的小齒輪所施加的徑向擠壓力所造成的。并且在發(fā)生擠壓時(shí)，支承齒輪的軸線與小齒輪的軸線并不平行。因此我們可以推測(cè)出，在裝配出現(xiàn)誤差的情況下，也會(huì)造成挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承在早期使用中發(fā)生斷齒故障。

3.1 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承軸線與立軸齒輪的軸線不平行

如果挖掘機(jī)在生產(chǎn)裝配時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的軸線由于裝配工藝的原因與立軸齒輪的軸線不平行時(shí)，會(huì)使兩者之間輪齒的嚙合不正?！行е睾系膮^(qū)域過小。

我們都知道如果一對(duì)齒輪要想實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠的動(dòng)能傳送，那么它們輪齒之間的重合度必須要大于1（根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，回轉(zhuǎn)支承與立軸之間嚙合的重合度需要大于1.2），如果因?yàn)檠b配工藝造成挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承軸線與立軸軸線之間的平行發(fā)生誤差的話，就會(huì)影響它們之間輪齒重合度的大小。誤差嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏诰驒C(jī)在工作時(shí)，其主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪在一對(duì)輪齒嚙合剛剛脫離開來的時(shí)候，緊隨其后的一對(duì)輪齒卻尚未進(jìn)入輪齒嚙合的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，立軸齒輪的輪齒會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，時(shí)間一長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)支承的輪齒便會(huì)在這種擠壓力下發(fā)生過度磨損、偏位甚至于斷裂。

3.2 輪齒齒側(cè)間隙調(diào)整不當(dāng)

與設(shè)計(jì)原因中，輪齒間隙不當(dāng)造成的危害類似，當(dāng)挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)支承在生產(chǎn)裝配階段，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)齒與立軸齒輪的輪齒齒側(cè)的間隙裝配不當(dāng)時(shí)，容易造成早期使用時(shí)斷齒故障的產(chǎn)生。加之挖掘機(jī)所采用的回轉(zhuǎn)支承的尺寸大、輪齒模數(shù)大、齒數(shù)多，就更加容易產(chǎn)生這種裝配誤差。

生產(chǎn)裝配時(shí)的誤差進(jìn)而導(dǎo)致了內(nèi)齒和立軸外齒在嚙合時(shí)的重合度大幅降低，有效嚙合齒長(zhǎng)較短，導(dǎo)致輪齒不堪重負(fù)，最終導(dǎo)致了斷齒現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 解決辦法

生產(chǎn)裝配工藝解決的辦法就是進(jìn)行技術(shù)的改造升級(jí)，提高機(jī)械裝配的精準(zhǔn)度與可靠性。同時(shí)要加強(qiáng)相關(guān)生產(chǎn)人員的培訓(xùn)與專業(yè)素質(zhì)的提升，培養(yǎng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)所需的高級(jí)技工人才，從而提高生產(chǎn)力，改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，改善生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品形象。

4 結(jié)語

通過大量挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒樣本的收集，和對(duì)樣品的分解、檢測(cè)、化驗(yàn)、計(jì)算并進(jìn)行了大量的分析排查工作，找出了故障產(chǎn)生的深層次的原因、設(shè)計(jì)了相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施。通過增大齒輪模數(shù)、嚴(yán)格控制出廠間隙、改進(jìn)回轉(zhuǎn)支承和小齒輪的齒側(cè)間隙、提高熱處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及提升生產(chǎn)裝配工藝水平，我們妥善處理了相關(guān)的問題，對(duì)我們?nèi)粘５纳a(chǎn)起到了一定的指導(dǎo)作用，極大挽回了回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)商的產(chǎn)品形象。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯寧，朱良銀，胡恒強(qiáng)，等.回轉(zhuǎn)支承斷齒分析及解決方案[J].工程機(jī)械，2014，45（9）.

[2] 尹富先.挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承斷齒原因的分析與對(duì)策[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2013，（11）.

[3] 尹富先.挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承早期斷齒故障研究[J].建筑機(jī)械化，2013，（11）.

作者簡(jiǎn)介：何東生（1985-），男，安徽馬鞍山人，馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)員，助理工程師，研究方向：回轉(zhuǎn)支承研發(fā)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint