挖掘机回转支承早期断齿故障分析

摘要：挖掘机回转支承的早期故障主要有断齿和滚道破坏。在日常使用中发现回转支承内圈发生断齿的情况较多，且容易发生在从挖掘机出厂6个月的时间段内，不仅影响了制造厂商的质量形象，也威胁着主机产品的可靠性。文章通过对断齿样品的收集、检测、化验、计算并进行综合分析，找出了深层次的原因，并提出了解决对策。

关键词：挖掘机；回转支承；早期断齿；啮齿间隙；热处理 文献标识码：A

中图分类号：TH133 文章编号：1009-2374（2015）13-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.040

各类型号的挖掘机都由工作装置、回转装置、行走装置三部分组成，回转装置安装在挖掘机上、下机架之间。挖掘机工作装置工作时，上部转动产生了巨大的惯性与离心力，加之挖掘时不确定的阻力大小和频繁换向的冲击力，易导致断齿现象的发生。同时我们也发现断齿在软齿面、外啮合的回转支承中极少发生，而在硬齿面、内啮合的回转支承上却屡见不鲜。那么挖掘机回转支承早期易发生断齿的根本原因是什么呢？经过仔细分析，我们不难发现问题所在。

将收集而来的断齿样本经过检测，通过把检测结果与国家相关标准相对照，发现其原材料标准、性能参数、热处理水平、表面处理的要求都满足国家相关标准的要求，即产品质量没有任何问题，加之又是原厂配件，但仍出现断齿问题，所以我们只能在装配工艺与产品设计上来寻找断齿故障频发的原因。下面我们来进行挖掘机回转支承断齿的故障分析。

1 轮齿间隙原因

1.1 轮齿间隙标准

一般情况下，按照国家行业相关标准以及行业设计经验，中小型挖掘机回转支承在出厂时间隙必须小于0.20mm，在使用过一段时间之后，回转支承的间隙也不得大于0.30mm。而大型挖掘机可适当加大间隙，但也必须满足相应的国家行业标准以及行业设计经验。

1.2 实际工作情况

挖掘机工作时，上部转动产生了巨大的惯性与离心力，支承滚道内的钢珠受力挤压滚道，令其产生形变，此时回转支承的径向间隙要比空载时的间隙大得多，一般单侧在0.21mm左右，双侧就为0.42mm。再加上机架等的变形，齿轮发生径向偏移的量甚至能达到0.90mm甚至更多。在实际工作中，由于回转支承径向间隙的存在，当大臂受力时，回转支承沿大臂受力方向的反方向发生位移（位移大小与间隙一致），在位移过程中，当回转支承与啮合的小齿轮之间的齿侧间隙过小时，还未完成位移，小齿轮就已压住大齿轮。本应由滚道承载的负荷却由齿轮代为承受，最终导致了断齿现象的发生。

1.3 解决办法

实际的产品生产中应当在满足国家相关标准的基础上，挖掘机所采用的回转支承的齿轮模数要比滚道直径相同的其他大型机械采用的回转支承齿轮模数要大一档，提高齿轮的承载能力。并根据挖掘机型号，严格控制回转支承的出厂间隙，防止滚道受力产生形变时，回转支承径向间隙过大，导致位移过多，大小齿轮挤压造成断齿。同时，适当调整回转支承齿圈与小齿轮的齿侧间隙，以满足挖掘机回转支承的特殊需要。

2 热处理标准过低的原因

2.1 国家关于回转支承热处理的相关标准

由于回转支承适用的行业领域宽泛，因此为适应大多数的行业标准，降低生产成本，依据国家颁布的回转支承的行业标准，回转支承经热处理后，调质硬度标准一般为207～262HB。

2.2 实际使用时的情况

但是由于挖掘机工作环境差、负荷大、受力强、工况复杂，其支承内圈在工作过程中，较易发生形变。回转支承断齿等故障多发，因此国家行业标准不太适合挖掘机这一特殊机械种类。

2.3 解决办法

之前论述了挖掘机回转支承的断齿原因主要是轮齿径向受力挤压。因此，提高大小齿轮承受径向挤压时抗形变的能力是断齿故障研究的主要方向之一。

经过实验，我们尝试改进回转支承轮齿生产中的淬火工艺。其主要技巧是在回转支承轮齿热处理的工艺过程中，在进行感应淬火及回火工序时，保证轮齿在回火工序中足够的保温时间。由于淬火及回火工序的目的是将轮齿的组织材质由奥氏体/马氏体转化为回火马氏体，而一旦回火工序保温时间不够，材质未充分转化，那么在实际的使用过程中，由于挖掘机巨大的冲击负荷，轮齿遭受强大内应力的同时，会引发类似的组织材质转化，从而引发受力混乱，易发生断齿现象。

通过这样改进生产工艺，防止在使用过程中出现组织转变，提高轮齿抗形变的能力，可以有效减少挖掘机回转支承断齿故障的产生。

3 装配工艺原因

除了以上所描述的相关原因，挖掘机回转支承使用早期断齿故障频发也可能是由于在生产装配阶段出现了偏差，从而导致产品出现缺陷。

通过对断齿样品进行综合统计分析发现：绝大多数回转支承的断齿发生在轮齿的上半部分，这其中一半以上的样品断裂面和轮齿上表面相交，并成50°左右的夹角。即使是在全齿脱落的样品中断齿的裂纹也是从上到下扩张而来。齿轮受压产生塑性形变的痕迹也相当明显，与其他样品相同的是断裂面上部的情形较下部断裂要严重得多。

据此，我们认定造成挖掘机发生早期回转支承断齿不是受其周向回转的驱动力挤压所致，而是由与之进行啮合的小齿轮所施加的径向挤压力所造成的。并且在发生挤压时，支承齿轮的轴线与小齿轮的轴线并不平行。因此我们可以推测出，在装配出现误差的情况下，也会造成挖掘机回转支承在早期使用中发生断齿故障。

3.1 挖掘机回转支承轴线与立轴齿轮的轴线不平行

如果挖掘机在生产装配时，回转支承的轴线由于装配工艺的原因与立轴齿轮的轴线不平行时，会使两者之间轮齿的啮合不正常——有效重合的区域过小。

我们都知道如果一对齿轮要想实现连续、可靠的动能传送，那么它们轮齿之间的重合度必须要大于1（根据行业标准，回转支承与立轴之间啮合的重合度需要大于1.2），如果因为装配工艺造成挖掘机回转支承轴线与立轴轴线之间的平行发生误差的话，就会影响它们之间轮齿重合度的大小。误差严重时甚至会造成挖掘机在工作时，其主动齿轮和从动齿轮在一对轮齿啮合刚刚脱离开来的时候，紧随其后的一对轮齿却尚未进入轮齿啮合的状态。在这种状态下，立轴齿轮的轮齿会产生强大的挤压力，时间一长，回转支承的轮齿便会在这种挤压力下发生过度磨损、偏位甚至于断裂。

3.2 轮齿齿侧间隙调整不当

与设计原因中，轮齿间隙不当造成的危害类似，当挖掘机的回转支承在生产装配阶段，回转支承的内齿与立轴齿轮的轮齿齿侧的间隙装配不当时，容易造成早期使用时断齿故障的产生。加之挖掘机所采用的回转支承的尺寸大、轮齿模数大、齿数多，就更加容易产生这种装配误差。

生产装配时的误差进而导致了内齿和立轴外齿在啮合时的重合度大幅降低，有效啮合齿长较短，导致轮齿不堪重负，最终导致了断齿现象的发生。

3.3 解决办法

生产装配工艺解决的办法就是进行技术的改造升级，提高机械装配的精准度与可靠性。同时要加强相关生产人员的培训与专业素质的提升，培养挖掘机回转支承生产所需的高级技工人才，从而提高生产力，改进生产技术，改善生产厂商的产品形象。

4 结语

通过大量挖掘机回转支承断齿样本的收集，和对样品的分解、检测、化验、计算并进行了大量的分析排查工作，找出了故障产生的深层次的原因、设计了相关的应对措施。通过增大齿轮模数、严格控制出厂间隙、改进回转支承和小齿轮的齿侧间隙、提高热处理的相关标准以及提升生产装配工艺水平，我们妥善处理了相关的问题，对我们日常的生产起到了一定的指导作用，极大挽回了回转支承生产商的产品形象。

参考文献

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[2] 尹富先.挖掘机回转支承断齿原因的分析与对策[J].建设机械技术与管理，2013，（11）.

[3] 尹富先.挖掘机回转支承早期断齿故障研究[J].建筑机械化，2013，（11）.

作者简介：何东生（1985-），男，安徽马鞍山人，马鞍山方圆回转支承股份有限公司研发设计员，助理工程师，研究方向：回转支承研发设计。

（责任编辑：秦逊玉）endprint