矫平机齿轮箱断齿分析与改进

马彩英 杨敏超 刘振庆

江阴齿轮箱制造有限公司 江苏江阴市

一、前言

矫平机可作为去除板材应力、提高板材品质的设备使用，为适应市场需求，江阴齿轮箱制造有限公司开发了多种规格的辊式矫平机用减速器。辊式矫平操作是在交错排列的上、下排工作辊之间进行，两列工作辊的空档中间形成交错的排列，板材从一端送入，被矫平机啮入，工作辊对板材进行正反方向的多次交变弯曲，最终使板材变得平整。辊式矫平机减速器作为关键的传动部件，必须要保证设备安全、稳定、长期运行，应满足高可靠性要求。JPJ28型矫平机，在短短半年内就出现了重大事故，造成不良影响，必须采取相应改进措施

二、齿轮箱断齿情况与分析

JPJ28矫平机的齿轮箱，是专门为矫平高强度板材设计的部件，先后生产过2台。第一台于2009年11月交货，使用至今没有问题，用于小规格板材矫平。第二台用于稍大规格板材矫平，用于12mm厚1800mm宽度的板材矫平线。所用减速器于2010年11月交货，客户使用半年后出现严重断齿现象，并且主箱体的上箱体边角出现变形。

两台相同的设备，一台运转良好，另一台却在半年时间内损坏，当时怀疑操作工操作不当。到现场查看情况，询问操作工，设备正常运行时有轻微响声，运行中板材突然卡住不动，操作工马上按下停止按钮，但未能立即切断电源，过了5s左右按下另外一个停止按钮才切断电源，此过程中齿轮箱发出很大声音，应该是发生了断齿并且发现齿轮箱上箱体边角处有轻微变形。操作中并未反向送入板材，可排除操作问题。

拆箱后，发现箱内齿轮损坏（图1），部分齿轮损毁严重（图2），箱内放油后，发现很多齿轮碎块（图3）。完全拆开后，又发现输出轴有扭曲变形。将碎块送热处理部门分析后，未发现异常。统计后，齿轮箱中有5根输出轴弯曲变形，4个齿轮有损伤，4个齿轮发生断齿，有11个轴承和10个油封需要更换。并且这些齿轮、齿轴的损坏部位不在同一个位置。

图1 箱体内部概况

矫平机减速器内的空间比较狭窄，布局非常紧凑，箱体轴布置见图4。输出轴受空间限制，轴径相对较小，导致轴比较细长，齿轮模数较大，齿轮材料采用优质低碳合金钢20CrNi2MoA。

图2 断齿齿轮

图3 断裂的齿轮碎块

图4 箱体布置示意

根据损坏的现象分析，考虑矫平机受负扭矩作用，即由于各工作辊作用于板材的压弯量不同，引起各矫平辊的线速度不一样，导致某辊驱动板材时，下面一棍线速度较慢，板材反作用于该工作辊，相当于板材拖着工作辊转动。此时工作辊不但不起作用，反而形成了对系统的阻力，导致板材进入矫平机时，前面几个辊受到了相当大的力，某根工作辊产生轻微弯曲变形，甚至安装齿轮的部位也产生了弯曲，这样该位置的齿轮啮合受到偏转，作用力由原来作用于全齿面，变为作用于部分齿面上，对齿轮造成很大冲击，进而产生断齿。断齿后产生的碎片，刮到了箱体内壁，并且甩到其他齿轮部位，导致其余位置的齿轮也发生了断齿或是齿面损伤。并且受影响部位的轴承也承受了很大的力，轴承顶起上箱体而导致上箱体边角变形。虽然轴承外观看不到明显损伤，为确保安全，也需更换轴承。

三、矫平机齿轮箱改进

1.提高设计安全系数

因为负扭矩的存在，导致板材进入部位受力不定，具体达到多大难以估计，应尽量加大安全系数。同时建议客户加大该减速器的中心距，以加大齿轮模数来提高传动件的强度。为确保安全，特意将实际工作扭矩放大2倍后计算。提高后的安全系数见表1。

2.优化传动方式

在空间受限制条件下，对产品的传动方式进行优化，以使载荷尽量分散布置而不集中，避免某处负载过大而导致此处传动件加大后难以布置的问题，并避免干涉问题的产生。

3.优化轴承布置

空间的有限也导致轴承的布置受限制，因此对每一处的轴承进行仔细校核，保证在有限空间下的轴承布置要满足产品高强度运转要求。

表1 提高后的安全系数

4.加宽内轴承座并增加螺栓数量

考虑箱体强度可能不足，为此对内轴承座进行加宽以加大固定螺钉并且增加固定螺栓、螺钉数量。各中间轴承座均与箱体焊接为一体，与上箱体结合处放置筋板加强。上箱体上方再增加螺栓固定使箱体、中间轴承座固为一体。轴承座部位螺栓原来为8.8级强度螺栓，现均采用12.9级强度螺栓。

1 齿轮手册编委会.齿轮手册.机械工业出版社，2000

2 机械零件设计手册.冶金工业出版社,1994

3 成大先.机械设计手册.化学工业出版社，2008