肖偉敬，王振山，張旭東，楊鵬亮

（鄭州機(jī)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(yùn)行約50000h（設(shè)計(jì)壽命為17萬(wàn)h），檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)立式行星齒輪箱的止動(dòng)環(huán)內(nèi)齒工作齒面齒寬中部形成擠壓變形臺(tái)階，高0.1～0.2mm,沿齒高分布寬約 1～3mm，圓周每個(gè)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(gè)齒面剝落缺陷程度有所不同，有的齒面約85%經(jīng)微動(dòng)磨損、點(diǎn)蝕后進(jìn)入剝落階段，如圖1，圖2所示。

圖1 止動(dòng)環(huán)內(nèi)齒擠壓變形臺(tái)階

圖2 外齒磨損點(diǎn)蝕

2 立式行星傳動(dòng)系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止動(dòng)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(dòng)（整體結(jié)構(gòu)如圖3所示），電機(jī)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(rùn)滑油使用的MOBIL Hydraulic oil液壓油，上下齒圈材料為BS817M40T（近似國(guó)標(biāo)鋼號(hào)40CrNiMoA），表面滲氮處理，止動(dòng)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(yáng)輪輸入，經(jīng)過(guò)四個(gè)行星輪將功率傳遞到行星架，行星架帶動(dòng)輸出軸輸出。立式行星齒輪箱采用太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈雙浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)輪浮動(dòng)即太陽(yáng)輪上部外齒與連接齒套內(nèi)齒嚙合，其中太陽(yáng)輪上部外齒為鼓形齒，可以在較小的范圍內(nèi)擺動(dòng)；太陽(yáng)輪下部人字齒與行星輪嚙合傳動(dòng)；內(nèi)齒圈浮動(dòng)即通過(guò)上下齒圈的內(nèi)齒與行星輪嚙合，上下齒圈的外齒與止動(dòng)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(dòng)環(huán)與內(nèi)齒圈之間相對(duì)“靜止”。其中上下內(nèi)齒圈與止動(dòng)環(huán)裝配關(guān)系剖面圖如圖4所示。雙浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是噪音小，傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，均載效果好。

圖4 上下內(nèi)外齒圈與止動(dòng)環(huán)裝配關(guān)系圖

止動(dòng)環(huán)為薄壁套結(jié)構(gòu)，止動(dòng)環(huán)外齒與固定環(huán)內(nèi)齒相嚙合，止動(dòng)環(huán)內(nèi)齒與上下齒圈的外齒相嚙合，止動(dòng)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(dòng)環(huán)內(nèi)齒上開(kāi)槽，槽內(nèi)安裝卡套，上下齒圈通過(guò)卡套固定用于限制行星包的軸向移動(dòng)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)分析可以看出，止動(dòng)環(huán)為立式行星齒輪箱的關(guān)鍵零件，可是在止動(dòng)環(huán)與內(nèi)齒圈之間并沒(méi)有潤(rùn)滑油通過(guò)，主要是通過(guò)行星齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油飛濺引起的油霧來(lái)潤(rùn)滑，而止動(dòng)環(huán)與內(nèi)齒圈直徑相對(duì)微動(dòng)，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(yáng)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(guò)測(cè)繪，太陽(yáng)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(jì)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(guó)的鋼號(hào)，對(duì)應(yīng)與我國(guó)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(qiáng)韌性好。是中碳合金鋼中比較好的一種齒輪材料。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)成分材料的檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 材料化學(xué)成分

經(jīng)檢測(cè)齒面硬度HRC58，如果想提高齒面硬度只能通過(guò)其他工藝。

2.4 總結(jié)

通過(guò)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(yùn)行的平穩(wěn)度，它的可靠性要求較高。由于行星輪嚙合會(huì)有動(dòng)力作用于內(nèi)斜齒面上，再傳到外直齒、由止動(dòng)環(huán)內(nèi)齒傳到箱體、基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)中力的傳遞是動(dòng)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(dòng)，從而造成微動(dòng)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(huì)有附加應(yīng)力，斜齒寬約（2X135），而外支撐（直齒—止動(dòng)環(huán)）位于中心約2X20,也會(huì)產(chǎn)生搖擺，水泵的軸向力是變動(dòng)的，且較大，流體的瞬變也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。初步看法：這是產(chǎn)生微動(dòng)磨損的動(dòng)力源。

3 微動(dòng)磨損定義及機(jī)理簡(jiǎn)介

微動(dòng)損傷（Fretting damage）是存在于近似“靜止”配合的機(jī)械零件中的一種損傷方式，Hoppner將微動(dòng)損傷定義為：兩個(gè)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(duì)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，接觸表面上所出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象[2]。

微動(dòng)磨損是一種分子磨損過(guò)程，即兩接觸面在垂直負(fù)荷和往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)磨損導(dǎo)致材料損失是化學(xué)與機(jī)械共同作用的結(jié)果，機(jī)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(jī)械和化學(xué)作用交替造成材料損失[3]。

4 行星傳動(dòng)系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止動(dòng)環(huán)齒面剝落改進(jìn)措施

4.1 防止微動(dòng)磨損的方法

防止微動(dòng)破壞的最簡(jiǎn)單的辦法就是消除振動(dòng)源。但是，在工業(yè)實(shí)踐中，振動(dòng)源在大多數(shù)情況下是無(wú)法避免的，因此微動(dòng)磨損也是無(wú)法避免的，只能采取積極措施去減緩這種破壞。引起微動(dòng)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(duì)滑動(dòng)振幅等；二是接觸面之間的物理?xiàng)l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(rùn)滑條件等。通過(guò)以上分析可以得出：通過(guò)表面強(qiáng)化工藝、材料的選擇和結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化等措施預(yù)防可以有效減少微動(dòng)磨損，提高機(jī)械運(yùn)行壽命，具體措施如下：

4.1.1 增加接觸表面強(qiáng)度

該立式行星齒輪箱上下齒圈經(jīng)過(guò)表面滲氮處理，齒面硬度已經(jīng)達(dá)到HRC58，建議對(duì)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(dòng)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(jì)時(shí)對(duì)接觸副材料的合理選用和匹配對(duì)減緩微動(dòng)失效有較大的作用。在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)滑動(dòng)，從而產(chǎn)生減輕表面破壞的作用；選擇硬度大、疲勞強(qiáng)度高地母體材料能有效地減輕微動(dòng)的磨損及抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展；此立式行星傳動(dòng)齒輪箱材料選用合理，暫時(shí)無(wú)法改變。

4.1.3 降低摩擦系數(shù)

減緩微動(dòng)損傷的一個(gè)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(guò)潤(rùn)滑的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)潤(rùn)滑油強(qiáng)制潤(rùn)滑能達(dá)到降低摩擦系數(shù)和接觸黏著的功能。同時(shí)潤(rùn)滑油還能通過(guò)限制氧氣的侵入達(dá)到防止微動(dòng)腐蝕。建議對(duì)止動(dòng)環(huán)跟內(nèi)齒圈嚙合的齒輪位置設(shè)置一路潤(rùn)滑油，達(dá)到潤(rùn)滑，冷卻，沖洗的作用。

4.2 本立式行星齒輪箱的改進(jìn)方法

通過(guò)上面分析，最終通過(guò)對(duì)止動(dòng)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(shí)改進(jìn)潤(rùn)滑方式，增加上下內(nèi)齒圈外直齒與止動(dòng)環(huán)內(nèi)齒嚙合部位的強(qiáng)制潤(rùn)滑，改善潤(rùn)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(diǎn)蝕剝落缺陷產(chǎn)生原因?yàn)槲?dòng)磨損，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)、受力、材料的分析，確定改進(jìn)方案，對(duì)改進(jìn)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(jìn)后的方案效果明顯，齒輪箱使用壽命大大延長(zhǎng)。