行星齒輪箱內(nèi)外齒圈齒面剝落缺陷分析及改進

肖偉敬，王振山，張旭東，楊鵬亮

（鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

某電廠循環(huán)水泵中立式行星齒輪箱在運行約50000h（設(shè)計壽命為17萬h），檢修時發(fā)現(xiàn)立式行星齒輪箱的止動環(huán)內(nèi)齒工作齒面齒寬中部形成擠壓變形臺階，高0.1～0.2mm,沿齒高分布寬約 1～3mm，圓周每個齒面均勻分布；立式行星齒輪箱上下內(nèi)齒圈的外直齒磨損及剝落嚴(yán)重，在外直齒圓周上失效齒面剝落分布“均勻”，微觀上每個齒面剝落缺陷程度有所不同，有的齒面約85%經(jīng)微動磨損、點蝕后進入剝落階段，如圖1，圖2所示。

圖1 止動環(huán)內(nèi)齒擠壓變形臺階

圖2 外齒磨損點蝕

2 立式行星傳動系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止動環(huán)齒面剝落缺陷分析

該立式行星齒輪箱采用NGW結(jié)構(gòu)，齒輪為雙斜齒齒輪傳動（整體結(jié)構(gòu)如圖3所示），電機輸入速度從744r/min，行星架輸出速度為161.2r/min，傳輸功率為4500Kw，潤滑油使用的MOBIL Hydraulic oil液壓油，上下齒圈材料為BS817M40T（近似國標(biāo)鋼號40CrNiMoA），表面滲氮處理，止動環(huán)為氮化處理狀態(tài)。

圖3 立式行星包結(jié)構(gòu)圖

2.1 結(jié)構(gòu)分析

該立式行星齒輪箱為太陽輪輸入，經(jīng)過四個行星輪將功率傳遞到行星架，行星架帶動輸出軸輸出。立式行星齒輪箱采用太陽輪、內(nèi)齒圈雙浮動結(jié)構(gòu)。太陽輪浮動即太陽輪上部外齒與連接齒套內(nèi)齒嚙合，其中太陽輪上部外齒為鼓形齒，可以在較小的范圍內(nèi)擺動；太陽輪下部人字齒與行星輪嚙合傳動；內(nèi)齒圈浮動即通過上下齒圈的內(nèi)齒與行星輪嚙合，上下齒圈的外齒與止動環(huán)內(nèi)齒嚙合，上下齒圈的外齒起支撐上下齒圈的作用，止動環(huán)與內(nèi)齒圈之間相對“靜止”。其中上下內(nèi)齒圈與止動環(huán)裝配關(guān)系剖面圖如圖4所示。雙浮動結(jié)構(gòu)的特點是噪音小，傳動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，均載效果好。

圖4 上下內(nèi)外齒圈與止動環(huán)裝配關(guān)系圖

止動環(huán)為薄壁套結(jié)構(gòu)，止動環(huán)外齒與固定環(huán)內(nèi)齒相嚙合，止動環(huán)內(nèi)齒與上下齒圈的外齒相嚙合，止動環(huán)能夠承受一定范圍內(nèi)的沖擊以及搖擺，具有緩沖吸能作用，用于限制行星包的徑向搖擺；在止動環(huán)內(nèi)齒上開槽，槽內(nèi)安裝卡套，上下齒圈通過卡套固定用于限制行星包的軸向移動。

通過結(jié)構(gòu)分析可以看出，止動環(huán)為立式行星齒輪箱的關(guān)鍵零件，可是在止動環(huán)與內(nèi)齒圈之間并沒有潤滑油通過，主要是通過行星齒輪箱內(nèi)潤滑油飛濺引起的油霧來潤滑，而止動環(huán)與內(nèi)齒圈直徑相對微動，產(chǎn)生的磨屑或雜質(zhì)排不出去，容易使齒面磨損。

2.2 受力分析

根據(jù)NGW型受力分析[1]，內(nèi)齒圈傳遞的轉(zhuǎn)矩T:

Za——太陽輪齒數(shù)；

Zb——內(nèi)齒圈齒數(shù)；

Kp——行星輪間的載荷不均勻系數(shù)

np——行星輪數(shù)目

內(nèi)齒圈受到的圓周力

經(jīng)過測繪，太陽輪齒數(shù)Za=31，內(nèi)齒圈齒數(shù)Zb=105，行星輪間的載荷不均勻系數(shù)Kp=1.15，行星輪數(shù)量np=4，功率P=4500kw，輸入轉(zhuǎn)速n=744r/min。ra=361mm計算得內(nèi)齒圈傳遞的轉(zhuǎn)矩為56248N.m，上下內(nèi)齒圈內(nèi)齒受力與外齒受力均衡得外齒受力為46000N。

2.3 材料分析

BS 970 817M40是英國的鋼號，對應(yīng)與我國的40CrNiMoA，該材料屬于中碳合金鋼，氮化后材料的耐磨性提高、抗疲勞性較好、心部強韌性好。是中碳合金鋼中比較好的一種齒輪材料。

對現(xiàn)場化學(xué)成分材料的檢驗，結(jié)果見表1：

表1 材料化學(xué)成分

經(jīng)檢測齒面硬度HRC58，如果想提高齒面硬度只能通過其他工藝。

2.4 總結(jié)

通過結(jié)構(gòu)分析，受力分析，材料分析得知該立式行星齒輪箱內(nèi)齒圈是行星輪嚙合的支撐圈，它的齒面質(zhì)量穩(wěn)定狀態(tài)決定運行的平穩(wěn)度，它的可靠性要求較高。由于行星輪嚙合會有動力作用于內(nèi)斜齒面上，再傳到外直齒、由止動環(huán)內(nèi)齒傳到箱體、基礎(chǔ)上，運動中力的傳遞是動態(tài)的、變化的。由于變形及力的大小變化就外齒及內(nèi)齒面產(chǎn)生微動，從而造成微動磨損。

由于上下齒圈的內(nèi)齒是斜齒輪嚙合，它自身的誤差會有附加應(yīng)力，斜齒寬約（2X135），而外支撐（直齒—止動環(huán)）位于中心約2X20,也會產(chǎn)生搖擺，水泵的軸向力是變動的，且較大，流體的瞬變也會產(chǎn)生擾動。初步看法：這是產(chǎn)生微動磨損的動力源。

3 微動磨損定義及機理簡介

微動損傷（Fretting damage）是存在于近似“靜止”配合的機械零件中的一種損傷方式，Hoppner將微動損傷定義為：兩個相互接觸表面在一定的法向載荷作用下，若表面間存在小幅的相對振動運動，接觸表面上所出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象[2]。

微動磨損是一種分子磨損過程，即兩接觸面在垂直負(fù)荷和往復(fù)運動下，使接觸表面足以接近到范得瓦爾力起作用的程度，從而導(dǎo)致材料脫離母體，然后被氧化。

微動磨損導(dǎo)致材料損失是化學(xué)與機械共同作用的結(jié)果，機械作用將氧化層和吸附層刮掉，露出清潔而活潑的新鮮金屬表面。新鮮表面將迅速吸附周圍氣體并發(fā)生氧化反應(yīng)，這是化學(xué)反應(yīng)。機械和化學(xué)作用交替造成材料損失[3]。

4 行星傳動系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止動環(huán)齒面剝落改進措施

4.1 防止微動磨損的方法

防止微動破壞的最簡單的辦法就是消除振動源。但是，在工業(yè)實踐中，振動源在大多數(shù)情況下是無法避免的，因此微動磨損也是無法避免的，只能采取積極措施去減緩這種破壞。引起微動損傷的因素：一是兩零件的接觸條件，如接觸壓力、循環(huán)次數(shù)、相對滑動振幅等；二是接觸面之間的物理條件，如溫度表面硬度；三是接觸面環(huán)境條件，即周圍空氣清潔程度及潤滑條件等。通過以上分析可以得出：通過表面強化工藝、材料的選擇和結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化等措施預(yù)防可以有效減少微動磨損，提高機械運行壽命，具體措施如下：

4.1.1 增加接觸表面強度

該立式行星齒輪箱上下齒圈經(jīng)過表面滲氮處理，齒面硬度已經(jīng)達(dá)到HRC58，建議對上下齒圈外直齒表面采用離子濺射、離子鍍處理，離子濺射可獲得極薄而均勻地涂層，不僅獲得良好的抗微動磨損性能，而且影響原部件的配合公差。

4.1.2 材料的選用和配合

在設(shè)計時對接觸副材料的合理選用和匹配對減緩微動失效有較大的作用。在能滿足結(jié)構(gòu)強度的條件下，選擇柔性較好、變形量大的材料能有效吸收相對滑動，從而產(chǎn)生減輕表面破壞的作用；選擇硬度大、疲勞強度高地母體材料能有效地減輕微動的磨損及抑制裂紋的萌生和擴展；此立式行星傳動齒輪箱材料選用合理，暫時無法改變。

4.1.3 降低摩擦系數(shù)

減緩微動損傷的一個有效措施是降低摩擦系數(shù)（即摩擦力），而摩擦系數(shù)的減少可通過潤滑的方式來實現(xiàn)。通過潤滑油強制潤滑能達(dá)到降低摩擦系數(shù)和接觸黏著的功能。同時潤滑油還能通過限制氧氣的侵入達(dá)到防止微動腐蝕。建議對止動環(huán)跟內(nèi)齒圈嚙合的齒輪位置設(shè)置一路潤滑油，達(dá)到潤滑，冷卻，沖洗的作用。

4.2 本立式行星齒輪箱的改進方法

通過上面分析，最終通過對止動環(huán)內(nèi)齒以及上下內(nèi)齒圈外直齒齒面處理，增加齒面硬度到HRC62，同時改進潤滑方式，增加上下內(nèi)齒圈外直齒與止動環(huán)內(nèi)齒嚙合部位的強制潤滑，改善潤滑狀態(tài)，提高磨損件的使用壽命。

5 結(jié)論

立式行星齒輪箱上下內(nèi)齒圈外直齒點蝕剝落缺陷產(chǎn)生原因為微動磨損，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)、受力、材料的分析，確定改進方案，對改進后的立式行星齒輪箱上下齒圈外直齒以及固定套內(nèi)齒的監(jiān)控，確定改進后的方案效果明顯，齒輪箱使用壽命大大延長。