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)的過程及注意事項(xiàng)。通過生產(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有發(fā)現(xiàn)麻坑，說明齒輪裝配時(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)樹脂，樹脂的融指相差較大，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?，為減小焊接應(yīng)力與變形，應(yīng)采用多道、多層、多段的間斷焊接方法。從沒在裂紋的殘齒處開始焊，焊出齒圈底部，焊完要對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，確認(rèn)沒有裂紋。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。考慮到腹板出現(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，且表面沒法做熱處理，硬度偏低，依據(jù)GB/T 3480-97《漸開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)高的樹脂，控制齒輪箱輸入電機(jī)的電流來控制齒輪的工作負(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，打開檢查孔檢查，沒發(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。