齿条疲劳断裂发生在低速级齿轮付。观察整个齿轮啮合情况(以1997年1月份一次为例),发现啮合齿轮由于接触疲劳失效出现齿条大面积点蚀现象,斑点密集,个别片蚀凹坑宽度为10～15mm。其中间过渡齿轮轴剥落2条(编号为1号、2号),低速轴大齿轮剥落2条(编号为3号、4号)。观察剥落掉的四个齿条断裂情况:其中2、3、4号为深灰色韧性纤维状断口,啮合节圆上有明显压痕,分析为1号齿条先剥落,产生挤压导致2、3、4号齿条被动断裂,断口为超负载运行而引发的疲劳失效断齿的正常断口组织。而1号齿条表面呈浅灰色,平滑有光泽,断齿为穿晶断裂的解理断口,是不正常的脆性断口。
2.2 对剥落的齿条进行理化分析
表1 齿条硬度测定结果HRC
测试位置 |
中间齿轮轴 |
低速级齿轮 |
||
1号 |
2号 |
3号 |
4号 |
|
齿顶 |
64 |
63 |
58 |
60 |
芯部 |
30 |
30 |
31 |
31 |
根据结果可知,齿轮轴齿顶表面硬度偏高,低速轴齿轮适中(工艺规范为HRC56～62),内外差异是属于齿表面渗碳淬火处理后的正常情况。
表2 化学成分分析结果 %
取样位置 |
C |
Mn |
Si |
Cr |
Ti |
|
齿顶部 |
1 |
0.65 |
0.98 |
0.26 |
1.18 |
0.094 |
2 |
0.64 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.092 |
|
3 |
0.62 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.085 |
|
4 |
0.62 |
0.95 |
0.24 |
1.09 |
0.082 |
|
齿芯部 |
1 |
0.30 |
0.97 |
0.24 |
1.14 |
0.091 |
2 |
0.27 |
0.97 |
0.22 |
1.14 |
0.090 |
|
3 |
0.22 |
0.95 |
0.23 |
1.12 |
0.084 |
|
4 |
0.23 |
0.96 |
0.24 |
1.10 |
0.084 |
|
GB3077-82 |
0.17～0.24 |
0.80～1.10 |
0.20～0.40 |
1.00～1.30 |
0.06～0.12 |
|
从化验结果可知,材料芯部成分还是比较均匀的,齿顶部含碳量偏高是由于齿面进行了渗碳处理,不同的是中间齿轮轴渗碳量高了一些。
齿轮轴切面图
而右方偏析状重于左侧,在边沿有三个空洞,可分析为是内夹杂经切削酸洗后留下的痕迹。而左侧五个齿的表面接触状况良好,有轻微的点蚀现象,经过运转跑合后,接触面扩大,接触应力相应降低,点蚀停止发展是允许的停留性点蚀。而有问题的第八齿(即1号齿条)正好在右侧,这也是反映出作为齿轮轴的材料,在锻打压力加工制造过程中,圆钢中心线偏移或原材料进厂切头不足造成的。,
从以上分析可知,中间齿轮轴(20CrMnTi)材料质量有问题,内部成分不均,加工制造过程及热处理过程不当等综合因素造成显微晶面裂纹。超负载运行时,微观裂纹穿晶扩展,导致宏观裂变,造成齿条断裂。其光亮断口,也可证实这一点。
3 减速机技术性能参数校核
硬齿面减速机多用于轻纺机械加工行业。近年来冶金企业也逐步采用,在原料皮带输送工艺中采用较多,而作为轧钢设备中轧机列的主减速机使用还较少。因此,减速机的承载能力除受机械强度功率和热平衡许用功率两方面的限制外〔1〕,还必须特别注意轧机运行的恶劣环境。在选用该型式的减速机时,应考虑环境、温度、负载多变等因素的影响。
3.1 工艺、设备、技术参数
根据: Mz=2PΨ ( Δh·R )1/2〔1〕(1)
式中 P ——名义轧制力,1000 kN;
Δh ——绝对压下量,6.5 mm;
Ψ ——力臂系数,热轧取0.5;
R ——轧辊半径,170 mm。
得:Mz=33.24(kN·m)。
根据:P1=Mz·ω〔1〕 (2)
式中 P1 ——有效功率;
ω ——轧辊角速度。
得:P1=229.9 (kW)。
3.2 对减速机校核计算
P2m=P2·KA·KB〔2〕 (3)
式中 P2 ——计算功率,即有效功率P1,229.9kW;
KA ——工况系数,1.5;
KB——安全系数,1.5。
得:P2m=517.3(kW)。
查表知公称输入功率P0为737kW〔2〕,则:P2m＜P0
这说明该减速机的机械功率可以满足要求。
P2t=P2·f1·f2·f3(4)
式中 f1 ——环境湿度系数,1.35;
f2 ——载荷率系数,0.86;
f3 ——公称功率利用系数,1.5〔1〕。
得:P2t=400.4(kW)。
查表知热功率Pc1为226kW〔1〕,则:P2m＞Pc1
这说明该减速机的热功率不能满足要求。
根据以上简单计算定性分析可知,该型式的减速机热功率不能满足生产实际要求,选用这种型式规格的减速机是不合适的。根据标准规范选用ZLY630方能适应(其Pc1为430kW)。
4 措施
根据生产实际情况，采取以下措施：
(1)与生产厂家协商,将中间齿轮轴的材料由20CrMnTi改为20CrMnMo,以提高其综合机械性能,延长寿命。
(2)调整压下量,减轻负载杜绝低温轧制,从而保证不会因轧制力过大,而使减速机热功率值下降。
(3)改善减速机环境条件,采取强制吹风,促使减速机体油温降低等。
(4)细心维护操作,加强点检,保证润滑冷却油量,并及时更换介质,以保证油质性能。
(5)计划增加油路循环设施;外加油箱油泵以流动的油液取代小容量机体油池不动油,进一步降低冷却,上喷油也同时提高润滑能力,改善接触状态。
5 结束语
通过分析认为减速机疲劳损坏的原因,一是由于该减速机加工制造过程中出现的质量问题;二是工艺设备选型有误,热功率不能满足生产工艺的要求,造成实际运行过程中负载量大,隐蔽缺陷逐渐暴露出来,导致最终齿轮付接触疲劳损坏,齿条剥落断裂,设备报废。因此，轧机硬齿面减速机的选用必须慎重。