在線強(qiáng)制磨合修復(fù)在大型開式齒輪上的應(yīng)用

宋傳照

（福斯?jié)櫥停ㄖ袊┯邢薰?河北唐山）

大型開式齒輪傳動(dòng)一般低速運(yùn)轉(zhuǎn)且傳輸巨大力矩，承受繁重工作，同時(shí)粉塵、礦漿等會(huì)侵入齒輪罩。做好開式齒輪管理和維護(hù)，除了選擇合適的開式齒輪潤滑劑和潤滑方式，還要了解齒輪常見失效形式、改進(jìn)及修繕方法，延長其服務(wù)壽命。

一、開式齒輪常見失效形式

1.齒面磨損

齒面磨損是開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式。齒面磨損種類較多，主要是磨粒磨損（圖1）。

（1）產(chǎn)生原因。研磨材料（如砂粒、鐵屑等硬質(zhì)顆粒）進(jìn)入開式齒輪的嚙合工作面。在嚙合的工作齒面做相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，研磨材料使得齒面材料損傷、脫落，造成磨粒磨損。齒輪在廢潤滑劑和研磨材料的混合物中運(yùn)行。

（2）危害。降低了齒輪強(qiáng)度。過度磨損使齒厚變薄，容易引起輪齒折斷。造成載荷分布不均，導(dǎo)致齒面局部承載過高。嚙合不平穩(wěn)，振動(dòng)升高。齒面磨損破壞正確齒廓形狀，嚴(yán)重影響傳動(dòng)性能和傳動(dòng)平穩(wěn)性。降低齒輪服務(wù)壽命。

（3）解決方案。提高齒面硬度，以減少輪齒磨損。對(duì)于重要齒輪傳動(dòng)應(yīng)采用閉式齒輪傳動(dòng)，確保潤滑，注意潤滑油的清潔和更換。對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)。盡量做好密封防護(hù)，避免或減少磨粒進(jìn)入齒輪工作面；采用短間隔的噴灑潤滑或循環(huán)潤滑，也可較好解決油池潤滑時(shí)混在潤滑劑里的顆粒雜質(zhì)被齒輪帶起，形成循環(huán)污染，加速齒面磨損的問題；選用磨耗比較低的高粘度潤滑油。

圖1 磨粒磨損

2.輪齒折斷

輪齒折斷主要分為疲勞折斷和過載突然折斷，前者是最主要的失效形式。

（1）產(chǎn)生原因。大、小齒輪找正偏差過大，齒面嚴(yán)重偏載。齒輪受到劇烈的沖擊載荷作用。齒面過度磨損和損傷。輪齒承受的作用載荷超過了齒輪的抗彎強(qiáng)度。

（2）危害。在齒輪嚙合傳動(dòng)中發(fā)生斷齒等災(zāi)難性故障。停機(jī)停產(chǎn)。需要準(zhǔn)備新齒輪。

（3）改進(jìn)方案。安裝、維護(hù)時(shí)做好開式齒輪副大小齒輪的找正，調(diào)整好齒輪齒頂隙和齒側(cè)隙，使齒面上載荷沿齒寬方向均勻分布，避免齒面局部過載或偏載。使用過程中盡可能避免或減少過載、嚴(yán)重沖擊載荷等。在齒輪設(shè)計(jì)、加工方面，提高輪齒抗折斷能力。增加齒根過渡圓角半徑并消除該處加工刀痕，以降低應(yīng)力集中；增大軸及支持剛度，以減小齒面上局部受載程度；使齒芯材料具有足夠韌性，在齒根處施加適當(dāng)強(qiáng)化措施（如噴丸等）。

3.齒面點(diǎn)蝕

齒面點(diǎn)蝕是齒面材料在交變接觸應(yīng)力條件下，由于疲勞而產(chǎn)生麻點(diǎn)狀剝蝕損傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn)，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，特別是潤滑油的滲入，受壓擠脹，加速麻點(diǎn)擴(kuò)展，導(dǎo)致齒面材料脫落而形成凹坑。

（1）產(chǎn)生原因。采用噴灑潤滑的方式時(shí)，噴嘴間距不合理。由于齒頂和齒根部的過度磨損，使得齒面節(jié)圓線附近凸出，造成節(jié)圓線附近局部超載。

（2）危害。永久地?fù)p失了接觸面積。點(diǎn)蝕部位成為潛在的疲勞裂紋形成區(qū)域。具有潛在的輪齒折斷風(fēng)險(xiǎn)。點(diǎn)蝕持續(xù)惡化。

（3）改進(jìn)方案。設(shè)備運(yùn)行初期。進(jìn)行良好磨合等措施，提高齒面抗疲勞損傷能力。潤滑方面。調(diào)整好噴灑距離，使?jié)櫥瑒┚鶆蚋采w齒面；保證充足良好潤滑狀態(tài)，盡量采用黏度高的潤滑油。對(duì)已產(chǎn)生點(diǎn)蝕的部位，進(jìn)行機(jī)械打磨，圓滑止裂處理，避免點(diǎn)蝕擴(kuò)展。齒輪設(shè)計(jì)方面，選擇高強(qiáng)度齒輪材料；提高齒面硬度；選擇合適參數(shù)（如增加齒數(shù)以增加重合度）；降低表面粗糙度。

圖2 齒面膠合

4.齒面膠合（圖 2）

對(duì)于高速重載齒輪傳動(dòng)，齒面間壓力大，摩擦力較大，瞬時(shí)溫度高，使嚙合區(qū)溫度過高，一旦潤滑條件不良，齒面間油膜便會(huì)消失，相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生局部金屬直接接觸，出現(xiàn)相互粘結(jié)在一起的現(xiàn)象，同時(shí)兩齒面又做相對(duì)滑動(dòng)，致使較硬金屬齒面將較軟金屬齒面表層沿滑動(dòng)方向撕劃出溝槽，即稱為膠合。齒輪傳動(dòng)中，齒面上瞬時(shí)溫度越高、滑動(dòng)系數(shù)愈大的地方，愈易發(fā)生膠合，齒輪頂部最為明顯。

（1）產(chǎn)生原因。齒面長期未潤滑。超載或齒面溫度過高，造成潤滑油膜破裂。在潤滑劑和磨料污染物的混合物中運(yùn)行。選用了不合適的潤滑劑。

（2）危害。減少了齒面接觸面積。齒面局部超載。齒輪振動(dòng)升高。齒面膠合損傷持續(xù)惡化。

（2）改進(jìn)方案。設(shè)計(jì)加工方面。提高齒面硬度和降低表面粗糙度值；選擇抗膠合能力強(qiáng)的齒輪副材料；選擇合適的齒輪參數(shù)（如適當(dāng)減小模數(shù)，增加齒數(shù)）。潤滑方面。采用抗膠合好的潤滑油，保持潤滑劑的清潔。使齒輪得到有效散熱，降低齒面工作溫度。

圖3 齒面塑性變形

5.齒面塑性變形（圖 3）

當(dāng)輪齒材料較軟，載荷及摩擦力又很大時(shí)，齒輪在嚙合過程中，齒面表層材料就容易沿著摩擦力方向產(chǎn)生塑性變形。在主動(dòng)輪工作齒面節(jié)線附件形成凹溝，從動(dòng)輪工作齒面上形成凸脊。材料較軟的齒輪，受過大的沖擊載荷作用時(shí)，還會(huì)使整個(gè)輪齒產(chǎn)生塑性變形而呈現(xiàn)扭曲。

（1）產(chǎn)生原因。齒輪表面接觸應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度。選用的潤滑劑不合適或潤滑不充分。

（2）危害。齒面潤滑膜不均勻。齒面磨損。齒輪振動(dòng)增加。齒面塑性變形持續(xù)惡化。

（3）改進(jìn)方案。提高齒面硬度。采用適合、黏度較高的潤滑油，保持齒輪潤滑充分。

圖4 小齒輪損傷照片

針對(duì)不同的齒輪失效形式，維護(hù)修理時(shí)要具體問題具體分析，查找原因，然后再選擇經(jīng)濟(jì)適用的修復(fù)方法，以及制定相適應(yīng)的保養(yǎng)規(guī)范。

二、在線強(qiáng)制磨合修復(fù)應(yīng)用實(shí)例

某臺(tái)Φ4.6×6.1 m礦山球磨機(jī)2009年投運(yùn)后，更換兩次開式齒輪副中的小齒輪，由于兩個(gè)小齒輪發(fā)生輪齒折斷、膠合等嚴(yán)重?fù)p傷，備件和維修費(fèi)用較高。設(shè)備使用期間，雖經(jīng)多次調(diào)整、打磨、重新找正，實(shí)際效果不理想，經(jīng)常停機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

1.開齒檢查及評(píng)估

2012年對(duì)該球磨機(jī)開式齒輪運(yùn)行狀況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢查。

（1）發(fā)現(xiàn)小齒輪左側(cè)（非驅(qū)動(dòng)端）齒面上2個(gè)輪齒局部折斷，齒面有明顯膠合損傷（圖 4）。

（2）觀察小齒輪齒面熱成像圖（圖5），齒面中部偏左區(qū)域溫度較高，檢查潤滑劑噴灑情況，噴灑均勻。分析認(rèn)為齒面載荷分布不均，齒面中部偏左區(qū)域載荷較高。大齒輪動(dòng)態(tài)照片見圖6。

（3）結(jié)合圖 7、圖8，進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)，數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)上述情況，齒面局部接觸過高，輪齒局部折斷、膠合損傷嚴(yán)重，造成齒面實(shí)際接觸面積過低，這種情況若不改善，會(huì)導(dǎo)致高載荷區(qū)域疲勞損傷，而且現(xiàn)有損傷可能進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖5 小齒輪齒面熱成像

圖6 大齒輪動(dòng)態(tài)照片

圖7 小齒輪軸承座振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)位置

圖8 大齒輪齒面溫度測(cè)點(diǎn)位置

2.解決方案

常規(guī)處理方法：對(duì)大、小齒輪齒面進(jìn)行大面積人工打磨，增加接觸面積，停機(jī)維修時(shí)間長。更換新的小齒輪，檢查齒面接觸情況，若齒面接觸不均勻，則需要打磨。備件費(fèi)用較高，停機(jī)維修時(shí)間較長。更換新的小齒輪，大齒輪倒面使用，或大小齒輪同時(shí)更換。備件費(fèi)用很高，停機(jī)維修時(shí)間也很長。

為不影響生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，考慮在不停機(jī)情況下修復(fù)齒輪。該球磨機(jī)開式齒輪問題，符合福斯?jié)櫥凸驹诰€強(qiáng)制修復(fù)技術(shù)的適用范圍。在線強(qiáng)制修復(fù)時(shí)，球磨機(jī)正常載荷生產(chǎn)，修復(fù)劑動(dòng)態(tài)削除齒面接觸高點(diǎn)、改善接觸，使載荷分布更均勻，且成本低，維修時(shí)間短。

表1 設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)

在線強(qiáng)制磨合修復(fù)基本原理見圖9，修復(fù)前，齒面表面粗糙度較高，存在局部高接觸區(qū)域，造成齒面實(shí)際承載面積較低；在線強(qiáng)制磨合修復(fù)后，齒面接觸面積明顯增加。經(jīng)過研討，最終確定采用在線強(qiáng)制磨合修復(fù)此開式齒輪副。

圖9 在線強(qiáng)制磨合修復(fù)示意

3.修復(fù)實(shí)施

（1）準(zhǔn)備工作。3 kg（1.5 kg/桶）RE-CONDITIONER TS 111修復(fù)劑。1桶（190 kg/桶）CEPLATTYN RN磨合潤滑劑。30L680齒輪油。0.4～0.6 MPa壓縮空氣源。1臺(tái)電動(dòng)攪拌器及相應(yīng)電源。1個(gè)潔凈的15 L空桶。1臺(tái)專用噴灑泵。

（2）在線強(qiáng)制磨合修復(fù)（圖10）。①首先將3 kg修復(fù)劑、7.5 L磨合潤滑劑、30L680齒輪油攪拌調(diào)和。②修復(fù)液的噴灑施工作業(yè)。在磨機(jī)正常運(yùn)行下，從齒輪罩的檢修口，用噴灑泵將修復(fù)液噴灑到齒輪工作齒面上。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒面狀況、齒面溫度和小齒輪振動(dòng)，嚴(yán)格控制噴灑量及噴灑位置。首先，修復(fù)液噴灑量分配是90%修復(fù)液噴灑到大齒圈，10%修復(fù)液噴灑到小齒輪；第一輪噴灑，每次噴灑間隔時(shí)間是5 min，每次噴灑量為大齒圈轉(zhuǎn)2周，沿整個(gè)齒寬均勻噴灑。連續(xù)做4次間隔5 min的噴灑，期間檢查齒面狀況、齒面溫度及小齒輪振動(dòng)，后續(xù)完成每次噴灑后，均需檢測(cè)、分析這些數(shù)據(jù)，調(diào)整噴灑；接著，間隔1 h，再噴灑。每次間隔15 min。調(diào)整每次噴灑量為大齒圈轉(zhuǎn)2周，在大、小齒輪從左側(cè)非驅(qū)動(dòng)端到驅(qū)動(dòng)端的3/4齒寬上均勻噴灑。連續(xù)做5次間隔15 min的噴灑；然后，間隔2 h，再做噴灑，每次間隔30 min，每次噴灑量為大齒圈轉(zhuǎn)2周，大小齒輪從左側(cè)非驅(qū)動(dòng)端到驅(qū)動(dòng)端的3/4齒寬上均勻噴灑。連續(xù)做5次間隔30 min的噴灑。檢測(cè)齒面狀況、齒面溫度及小齒輪振動(dòng)情況，齒面溫度分布在逐漸均布。修復(fù)時(shí)間為2個(gè)工作日；24 h內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖10 在線強(qiáng)制修復(fù)

（3）修復(fù)中齒面狀況。小齒輪動(dòng)態(tài)照片見圖11，修復(fù)中，修復(fù)劑緩慢削平齒面上的高接觸區(qū)域，接觸逐漸改善。

圖11 修復(fù)后的小齒輪動(dòng)態(tài)照片

（4）修復(fù)后的齒面狀況。齒輪動(dòng)態(tài)照片見圖12，修復(fù)后小齒輪齒面溫度分布較均勻（圖13），齒面溫差在1℃以內(nèi)（原為6℃），表明齒面接觸情況已得到較好改善，載荷分布已較均勻，齒面承載面積大幅度提高，齒面變得平滑。

圖12 修復(fù)后的齒輪動(dòng)態(tài)照片

圖13 小齒輪動(dòng)態(tài)熱成像

三、修復(fù)效果及后續(xù)維護(hù)

該開式齒輪副經(jīng)過在線強(qiáng)制磨合修復(fù)后，效果良好，修復(fù)前后的部分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2、表3。目前為止，兩年多時(shí)間，該球磨機(jī)開式齒輪齒面狀況保持穩(wěn)定，球磨機(jī)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

表2 齒面溫度（非驅(qū)動(dòng)端→驅(qū)動(dòng)端）℃

表3 小齒輪振動(dòng)值 mm/s

后續(xù)潤滑劑使用順序：修復(fù)后，使用CEPLATTYN RN磨合潤滑劑1周左右，潤滑劑噴灑間隔時(shí)間縮短一半，進(jìn)一步改善齒面接觸情況和平滑齒面。然后使用操作潤滑劑進(jìn)行操作潤滑，為使齒輪得到良好潤滑保護(hù)，操作潤滑劑換為高粘度的CEPLATTYN SF 30開式齒輪潤滑劑，并恢復(fù)原噴灑間隔時(shí)間。

1 褚瑞卿.建材通用機(jī)械與設(shè)備.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1995

2 張 瑩.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997

3 胡邦喜.設(shè)備潤滑基礎(chǔ).北京:冶金工業(yè)出版社,2002