釜用减速机齿轮点蚀影响因素分析


作者:吕文胜、吴刚 日期:2018/07/19 来源:PROCESS《流程工业》

减速机是釜用搅拌的重要组成部分,齿轮是减速机的心脏,在减速机的使用过程中,齿轮损坏是减速机失效的主要原因之一,齿轮损坏形式有:齿面点蚀、轮齿折断、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性流动等。2016年,中石化巴陵分公司合成橡胶事业部釜类减速机返修共计8台(见表1),通过表1可以看出,对于釜类搅拌器减速机而言,齿面点蚀是减速机在使用过程中最常见损坏故障。

一对齿轮相啮合时,两齿面之间在接触处产生循环变化的接触应力,如果这种接触应力超过齿面材料的接触疲劳极限时,齿轮工作一定时间以后,在齿面表层内部就会出现微观的疲劳裂纹,随着这种裂纹的蔓延与扩展,齿面金属表层将产生片状剥落而形成麻坑(见图1),这种现象称为点蚀。当点蚀出现以后,齿面的承载面积迅速减少,并使接触应力急剧增大,不仅加剧了齿面的疲劳破坏,同时也破坏了齿面啮合的正确性,甚至引起相当大的动负荷,最终导致齿轮齿面的大片剥落而报废。

 齿轮点蚀
图1 齿轮点蚀

点蚀机理及过程

齿面点蚀属于表面疲劳磨损,是指齿轮啮合时,轮齿衰面在变化的接触应力作用下,使材料产生裂纹和分离出微片或颗粒而破坏的结果。

点蚀过程是由3个发展阶段组成的。一是面的相互作用;二是在摩擦力的影响下,接触材料表层性质的变化;三是表面的破坏和磨损徽粒的脱落。其中,表面相互作用是最重要的阶段,同时必须考虑到相互作用的双重特性和接触的不连续性。

引起点蚀的影响因素

1、减速机精度的影响

影响减速机精度的因素有装配精度和制造精度两个。减速机的早期点蚀原因之一是由于装配精度低差,齿轮接触不好造成局部超负荷而产生的,齿轮的局部超负荷使实际接触应力大大超过齿轮材料的许用接触应力,有的齿轮达不到全齿长接触或仅在齿的一端接触,甚至对角接触。这是由于该齿轮副的两中心线不平行或交叉偏差过大或齿轮加工时齿向误差过大造成的。

而齿轮材料的选择正确与否以及使用负荷的匹配情况,热处理硬度的选择与匹配,也是影响早期点蚀的一个重要原因。

2、安装精度的影响

在减速机安装时,对电机和减速机,减速机和被带动设备间未经精确的找正,便有可能存在左右两路传动的不同步性,均载效果差,在这种情况下,一侧传动齿轮可能不承受负荷,而另一侧传动齿轮则超负荷,这很容易引起齿面产生点蚀。安装不良导致齿面局部接触负荷太大而造成疲劳磨损,损坏齿轮,造成减速机损坏失效。

3、载荷的影响

减速机载荷主要来源有两个:一是被带动设备载荷较大,对于釜用设备减速机的载荷主要来源于搅拌桨叶载荷,釜内密度过大或液位过高造成搅拌载荷增大,造成减速机载荷增大使得齿轮产生点蚀;二是传动轴承振动太大而引起载荷增大,由于轴承与轴承孔配合间隙太大、传动轴承刚度等原因,引起轴系振动,造成齿轮传递载荷增大也会产生齿面点蚀。

4、润滑油的影响

润滑是能减少机械传动中的磨损,改善零件工作条件,提高其预期寿命的有效方法。因此在日常的齿轮维护中,如何创造良好的润滑条件,采用合理的润滑技术避免齿轮齿面点蚀磨损等损伤正受到现场技术人员越来越多的重视。

4.1润滑油油质的影响

一般而言,润滑油的粘度对点蚀的影响很大,工作过程中由于接触压力产生的高压油波会以极高的速度进入裂纹,对裂纹壁产生强大的流体冲击。通常情况下,稀薄的润滑油比粘稠的润滑油更易渗透到裂缝中去,造成裂纹的扩展,粘度大的润滑油缓冲吸振性强,容易建立承载油膜,故提高润滑油的粘度,可以减缓冲击,延缓裂纹的扩展,增强齿轮的抗点蚀能力。

在生产中经常出现润滑油乳化的现象,润滑油乳化最主要的原因是减速机箱体内进水或其他介质,通过对现场减速机的维护,发现减速机进水主要来源是减速机输入端油封(见图2)损坏后,通过减速机输入轴与外界形成连通进水,造成润滑油变质。润滑油乳化后,润滑油的粘度降低,抗点蚀能力降低,造成点蚀。

图2 减速机输入端
图2 减速机输入端

4.2添加剂的影响

除了润滑油的粘度外,润滑油的某些成分,如油性剂、极压添加剂,往往会起到降低摩擦,增大边界油膜的强度,在一定程度上也可以提高齿轮的抗点蚀能力。但在对添加成分的选择上也应注意。如果油中存有腐蚀性物质,会导致金属齿面锈蚀,从而引发裂纹,如果油中存在气泡也会造成齿面过早的脱落。因此,应综合考虑润滑油的粘度、添加剂性能等方面,尽量避免润滑油对点蚀造成的负面影响,达到提高齿面的抗点蚀能力。

4.3油温的影响

在润滑系统中,油温过高会导致润滑油粘度降低,不利于齿轮齿面间的油膜形成,齿轮啮合面的润滑膜变薄,齿面的抗磨能力降低,出现点蚀。而另一方面,对润滑油中的添加剂油而言,添加剂的温度越高,相应的化学活性也就越高,在某种情况下将有利于对齿轮提供有效润滑。因此,对于油温的控制,应在合适的范围,保证齿轮润滑,减少齿轮点蚀的形成。

减少点蚀的措施

1.在进行减速机订货或者申报时,适当增加减速机的服务系数,对齿轮材料的选择正确与否以及使用负荷的匹配情况,热处理硬度的选择与匹配进行前期的技术交流,要求提高齿轮安装精度,保证齿轮的接触精度,从而减少点蚀。

2.减速机在安装时,对电机和减速机,减速机和被带动设备间进行精确的找正,使两端跳动不超过0.1 mm,保证减速机安装精度。

3.对于釜用搅拌减速机,合理控制喷胶量,控制釜内密度,稳定釜内液位,减少载荷及降低交变载荷的变化率,从而减少齿轮点蚀。

减速机出现轴承损坏,振动较大时,及时修复轴承及轴承与轴承座间间隙来减少由于振动带来的减速机载荷增大,以此延长齿轮使用寿命。

4.对釜用搅拌减速机选择合适的润滑油,油质出现问题时及时更换。在保证油箱密封牢靠的情况下,可以将减速机内置内冷管改为外置循环冷却系统(如图3),并在管线上增加过滤器,减少内冷管破损造成的润滑油变质,并且增加过滤器,减少润滑油中的杂质,保证润滑油的质量。

图3 外置循环冷却系统减速机
图3 外置循环冷却系统减速机

釜用减速机使用循环水进行冷却,循环水中的钙化物会在内冷管内沉积造成内冷管换热效果差,甚至堵塞造成润滑油油温过高,因此应定期对减速机内冷管进行化学清洗,保证内冷管的撤热效果,减少温度对减速机齿轮寿命的影响。

减速机在选择合适的润滑油后可适当按照比例混合一些抗磨耐压的添加剂,增强减速机齿轮的润滑效果,减少齿轮的点蚀。

结语

减速机齿轮发生点蚀的影响因素较多,不仅与减速机自身的制造精度,材料,硬度配比有关,还和减速机的安装精度,载荷分布和润滑油的使用有着密切的关系。因此在今后减速机的维护和维修中按照上述措施进行改进,必定能减少减速机齿轮的点蚀现象,延长减速机的使用寿命。