短纤HV582第三牵伸机齿轮断裂原因分析

俞建清

(中国石化仪征化纤有限责任公司短纤中心，江苏仪征 211900)

在短纤后处理过程中，第三牵伸机这一关键设备担负着对丝束进行牵伸、干燥和定型的任务。近年来，国内制造和国外进口的设备除结构相似外，通常将牵伸与定型设备设计成单台设备。三牵设备是丝束后处理过程中温度最高、转速最快的设备，其辊表面线速度通常称为后处理的牵伸速度。

1 设备的基本结构

三牵设备主要由牵伸辊筒部件(13件)、传动装置、移门装置和润滑系统组成。设备通过边轴传动系统，由传动轴(球笼)输入动力，经过设备内部的输入轴、中间轴上的齿轮传动包括陶瓷辊在内的13个辊筒部件，传动过程见图1。

牵伸辊筒部件主要由辊筒、加热和传动部分组成。其整体结构采用悬臂结构，辊筒外型尺寸为φ602×1 000(L)mm，丝束入口端张力4万牛，出口端张力为1.5万牛。辊筒通过12个M30×2的双头螺栓与传动轴联接起来，传动轴由齿轮(Mn=10 Z=72)通过轮毂传递动力，传动轴分别由前后两个轴承(前:23248，后:22240)支撑在设备箱体上，具体结构见图2。

图1 三牵伸设备传动系统图

2 设备典型故障情况

牵伸设备常见故障主要有:润滑油泵压力不足、辊筒内有异响、辊筒晃动、辊筒表面温度低、辊筒轴向窜位、回转接头泄漏、金属软管损坏，传动齿轮损坏等故障现象。

图2 牵伸辊筒部件结构图

考虑到设备故障对生产的影响程度、设备故障损失的程度和检修的复杂性，笔者主要分析了传动齿轮损坏的故障现象。

2.1 设备故障简述

1)2010年9月21日1∶10乙班生头开车时发现13K牵伸线250电机无法启动，检查后发现三牵伸盘车无法转动。通过上视窗及侧窗进一步检查发现5#辊前轴承卡死。22日0∶00修后试车时发现4#、5#辊撞击声较大，检查发现5#辊上3个齿变形，经过在线修磨后开车。运行至28日，再次打开三牵伸上盖检查，发现3#、5#辊齿轮有断齿，立即进行抢修。

2)2011年5月15日早班，巡检2K第三牵伸机时，发现2K三牵响声比平时响，检查发现2K三牵2#辊齿轮出现断裂，进行抢修，断裂现象见图3。

图3 2K三牵2#辊齿轮断裂图

3)2011年11月11日1∶50左右，15K三牵伸设备运行时突发异常振响，检查发现陶瓷辊、2#齿轮的齿槽内有一条状金属异物卡在齿槽内，1#辊齿面有压痕，判定DF3齿轮发现严重断齿故障。检修时发现:1)陶瓷辊、过桥齿、1#辊齿轮有异常压痕;2)2#辊齿轮断裂和齿槽内金属异物;3)3#辊齿轮齿面有裂纹。见图 4、5、6、7。

图4 1#辊齿轮表面的压痕

图5 2#辊表面齿槽内的金属异物

2.2 设备故障特点

(1)齿轮断口绝大部分发生在操作侧;

(2)齿轮发生断裂与轴承故障相关联;

(3)齿轮发生断裂与部件的松动(如:齿轮锁紧机构、后轴承斜套)相关联;

(4)齿轮发生断裂都发生在前五辊。

图6 2#辊断齿

图7 3#辊齿轮齿面裂纹

3 故障形成机理

3.1 受力分析

上辊轴受力如图8所示，下辊轴受力如图9所示。

图8 上辊轴受力分析图

将牵伸上辊轴考虑为一整体，分析其受力情况。设:牵伸辊筒丝束张力为T1，辊筒受力T，辊轴筒自重为G，轴承处支撑力分别为N、N1。

则有:T=2T1

T×745=N1×(218+365)

N1=1.3T=2.6T1

N=T+G+N1=4.6T+G

所以从轴受力情况来看，前轴承承载力是牵伸张力的5倍，约20吨。因此该轴承的质量对设备的正常运行起着重要作用。

同理，牵伸辊的下辊轴的受力情况为，N=4.6T－G，仍是受力最大的点，与上辊相差辊轴的自重。

图9 下辊轴受力分析图

3.2 故障形成机理

3 .2.1 结构形成

从图8的受力分析来看，轴由前后两只轴承作支撑，由于辊筒牵伸张力的影响，理论上轴在两轴承处存在向上的弯曲形变，而形变最易发生处为轴颈处，即后轴承的∮190的台阶处，一旦此处变形，则必然造成主被动齿轮中心的偏移，造成齿轮啮合点的变化，造成冲击断齿。

而从图9的受力分析来看，下辊形变方向与上辊完全相反，造成如下图10的可能性。

图10 辊轴的形变造成齿轮在前轴承方向的啮合点的变化

3.2.2 原因分析

1)轴承的缺陷故障是造成断齿故障的主要原因。由于轴承运行的磨损，间隙增大造成轴中心线的偏差，引起齿轮的啮合偏离，导致齿轮疲劳损坏。

2)牵伸辊前轴承由于检修的复杂性，自设备开车运行以来，虽经多次设备大修，但一直是采用择差更换方式检修，由于检查条件受限制，前轴承状态无法得到较好的确认。加上设备大修时，轴承清洗不良，油品的污染，更易造成前轴承的损坏。

3)后轴承是采用斜套安装方式，由于轴头的磨损、润滑不良等因素，往往造成斜套松动，引起轴的晃动，导致齿轮损坏。

4)生产超负荷运行，对设备带来的影响。由于生产非正常运行，往往会出现多带丝现象，每多带1根丝，其进口丝束张力增加2 000 N，前轴承受力增加9 200 N，齿面啮合力增加7 700 N。

5)设备安装时由于工器具的不良，对设备存在的影响。在后轴承斜套安装时，经常使用敲击锁紧螺母的办法，对止退垫片造成损伤，运行过程中出现止退垫片碎裂，造成后轴承松动现象。

3.3 防范措施

为了确保设备的安全运行，防止此类较大设备故障的发生，要从以下几个方面落实措施。

1)在以后的设备大修过程中，要利用原龙门吊架和蒸汽清洗等专用工具，对牵伸辊前轴承进行有效的清洗，并进行认真检查，对轴承存在游隙超差、滚动体磨损等异常情况一律进行更换，确保前轴承的完好。

2)对后轴头磨损进行修复，并确保修复质量，对斜套安装要制作专用工具，进行拉拨和安装，避免对轴承和锁紧零部件的损坏。

3)加强对设备润滑的管理，确实做到润滑到位、油品清洁、油温受控，有利于轴承的良好运行。

4)加强生产过程控制，严禁出现擅自带丝现象，避免设备超负荷运行。

4 结论

避免HV582第三牵伸机的设备故障，要重点抓住设备的润滑、紧固环节，做好设备的巡检和状态监测工作。要确保润滑系统的清洁、油温受控，才能保证轴承、齿轮零件的高效润滑，避免因润滑不良引起的轴承和齿轮的点蚀、老化、转动部件的松动而造成的设备故障。