中空成型机挤出系统减速箱齿轮故障原因分析与处理

莫振彪

（茂名市高技能人才公共实训中心，广东 茂名 525000）

1 中空成型机齿轮箱故障现象

随着经济增长、汽车工业高速发展和重化产业升级等，对润滑油的需求量会进一步增加。中空成型机是4 L塑料润滑油桶的主要制造装备，随着润滑油桶制造技术的发展，其控制系统经历了半自动、全自动的发展过程，其成型原理为“挤-吹”成型。设备主要由挤出系统、冷却系统、液压控制系统、气动系统等构成，其中挤出系统是中空成型机的核心部分，包括电动机、齿轮减速箱、料斗、挤出螺杆、挤出机头等。减速箱是其工艺系统的一个重要组成部分，是机器能否正常运行的主要因素之一，直接影响挤出效果、机器的生产效率及产品质量。其结构简图如图1所示[1]。

图1 挤出系统齿轮减速箱传动示意图

减速系统为三级单螺旋闭式齿轮减速器，设计参数为：功率500 kW，输入转速输出转速850~1 150 r/min，传动比1∶22.393，润滑方式为飞溅润滑。

该机组投入使用一段时间后，减速箱出现振动，并伴有较大噪音异响，对其进行解体检查，发现减速箱第三级小齿轮（即图1的齿轮5）齿面表层上的金属微粒出现点蚀剥落，形成麻点状的凹坑（如图2所示），并有进一步扩大的趋势，导致减速箱在高温环境及大负荷工况下，机组运行参数明显恶化，严重影响机组的正常生产。

图2 齿面点蚀图

2 齿轮疲劳点蚀故障原因分析

齿轮齿面接触疲劳点蚀是一般闭式齿轮传动软齿面常见的失效形式，其机理为：轮齿啮合过程中，接触面间产生接触应力，该应力是脉动循环变化的，齿面在交变应力的反复作用下，如果接触应力超过了齿轮材料的接触疲劳极限，表层就会产生细微的、不规则的疲劳裂纹。随着疲劳裂纹的蔓延、扩展，导致齿面表层小片状剥落。因此，接触应力的大小是齿轮产生疲劳点蚀的关键和主要原因。由于减速箱齿轮为软齿面低速重载齿轮，并且过早出现疲劳点蚀，所以应校核其接触疲劳强度[2]。

2.1 齿轮接触疲劳强度判别标准

对于外啮合圆柱齿轮，其齿面接触疲劳强度条件为：σH≤ [σH][3].

2.2 齿轮接触疲劳强度校核

2.2.1 第三级小齿轮的主要技术参数

出现齿面接触疲劳点蚀的小齿轮主要技术参数为：模数mn=12，齿数z=22，分度圆压力角α=20°，分度圆螺旋角β=17°，齿宽B=85 mm，小齿轮材料为40 Cr调质，齿面硬度260 HBW，精度8级。

2.2.2 小齿轮齿面接触应力计算

（1）最大工作转矩

（2）齿面接触应力σH

式中：ZE为弹性系数，ZE=189.8 MPa；ZH为节点区域系数，ZH=2.5；Zε为重合度系数，Zε=0.78；Zβ为螺旋角系数，Zβ=0.976；K 为载荷系数，K=2.43.代入上式计算得：

σH=616.5 MPa

2.2.3 小齿轮许用接触应力计算

（1）σHlim—接触疲劳极限，对于淬火调质钢齿轮，查表得[4]：σHlim=710 MPa

（2）查表核算寿命系数[3]：ZN=0.975；安全系数[4]：SHmin=1.0~1.10

（3）代入公式计算许用接触应力为：

2.2.4 齿轮点蚀剥落结论

通过以上分析计算可知，σH=616.5 MPa≈[σH]=629.3 MPa，可知，齿轮接触应力与许用接触应力基本相等。在设计寿命时间内出现接触疲劳点蚀现象，是由于齿轮接触应力与许用接触应力接近，相互啮合配对齿轮，在相同载荷的条件下，小齿轮由于转数多，应力作用循环次数多及载荷的波动等导致疲劳点蚀的发生。

3 故障处理措施

齿面疲劳点蚀是润滑良好的闭式齿轮常见的失效形式，齿轮点蚀后会使齿轮有效接触面积减少，齿面单位载荷增大，影响传动的平稳性，增加能耗，产生振动和噪音，甚至不能工作，严重时会导致齿轮断裂而发生重大事故。为保证装置正常运行，在现有工况条件下对减速箱提出改进措施。

3.1 更换小齿轮，并进行表面强化处理

更换小齿轮，并对齿轮进行深层渗碳、表面淬火磨齿工艺，齿轮加工精度要求达到7级以上，齿面进行喷丸强化处理。具体强化措施：渗碳淬火+低温回火工艺。渗碳在920~930℃进行，在较短的时间内获得较深的渗层，再经过淬火+低温回火处理，使表面获得高碳马氏体，齿面硬度达到了50 HRC，达到了理论设计大于38 HRC的要求，保证了硬度和耐磨性，芯部为低碳马氏体，保证了韧性[5]。

3.2 重新设计润滑系统，加强润滑

在原有飞溅润滑基础上，增设第三级齿轮副啮合点处喷油润滑装置（如图3所示），加强润滑；并定期检查润滑油，及时更换润滑油，加强润滑油的冷却作用[6]。

图3 喷油润滑示意图

技术改造后，减速箱整体承载能力得到提高，经过一年多的运行，中空成型机减速箱齿轮状况良好，齿轮点蚀损坏事故大幅下降，减少了检修维护时间和运行成本，保证了装置的正常生产，取得了较好的经济效益。

[1]莫才颂，张小勤，吴海智.EX801A挤压造粒机融熔泵减速箱振动故障分析[J].石油化工设备技术，2012，33（5）：35-37.

[2]梁 铁，杨益强.粗轧机减速箱齿轮损坏分析及改进措施[J].新疆钢铁，2010，115（3）：50-52.

[3]胡定安.炼油化工机泵设备维护检修案例[M].北京：中国石化出版社，2017：334-338.

[4]吕 宏.机械设计[M].北京：北京大学出版社，2009：53-85.

[5]田亚媛，瞿 皎，秦 亮，等.齿轮表面强化技术研究现状[J].热加工工艺，2011，40（24）：211-214.

[6]熊晨君，蔡 骏.盾构机主减速箱损坏原因分析及预防措施[J].机械工程师，2013，35（3）：132-134.