带式输送机减速箱崩齿故障原因探析

李永均

广州港股份有限公司

1 引言

减速箱是带式输送机的重要传动部件。某煤炭码头的带式输送机带宽1 400 mm，效率为2 000 t/h，采用平行轴式三级斜齿轮减速箱进行驱动，皮带机电机功率220 kW，输送带带速3.15 m/s；减速箱机械功率385 kW，输出扭矩64 kNm。其运行时长约4 000 h时出现高速轴崩齿轮故障。拆解发现，高速轴小齿轮从传动键槽位置崩掉1/6齿轮，呈整体掉落，断口基本与轴方向一致，断口粗糙；其他齿轮未发现点蚀等其他异常现象。

2 原因探析

2.1 功率校核

减速箱的功率选型是否正确关乎整个设备的使用情况。设计人员需要充分了解现场的各类参数，如每天工作小时数、每小时启停次数、运转周期、可靠度要求、环境问题、现场散热条件、使用系数等，并根据以上参数进行计算。规格的选择要满足机械功率、输出扭矩、热平衡校核等条件。

带式输送机的减速箱一般由设计人员根据要求修正参数，按照机械功率和输出转矩选择规格型号。另外，减速箱的热功率也是一个重要参数，许用热功率是在特定工况条件下(一般为环境温度20℃，每小时100%连续运转)，按照润滑油允许的最高平衡温度(一般为85℃)确定的。

根据带式输送机实际运转情况，按照DTII设计手册进行复核，复核值滚筒轴功率为68 kNm，略超过在用的减速箱额定输出轴功率64 kNm。

2.2 减速箱使用环境及维护保养分析

除了选型是否正确外，减速箱的使用环境及维护保养也影响设备的使用寿命。

经现场排查，该减速箱每月进行箱体除尘保养，润滑油按运行时间进行定期更换，润滑油型号无误；该减速箱所服务的带式输送机为连续24 h运转制，平均利用率约45%，为斗轮式堆取料机配套地面皮带，单向运行；减速箱露天工作，工作温度为5～37℃。以上信息基本符合减速箱维保要求，暂无明显问题。

该皮带机作业流量一般为1 500～2 000 t/h，偶尔会达到2 300 t/h。另外，皮带机除正常的运转外，还存在故障时满负荷启动的情况：当在连续作业过程中，前方设备故障时，输送机上存在较多煤炭，这时候需要满负荷启动，有时候还需要多次启动，才能将皮带上的煤炭送走。经现场观察及司机反馈，该皮带机是在连续作业6 h后出现打滑故障停机，现场排查发现，该设备电机及减速箱输入轴能转动，减速箱输出轴不转动。

2.3 润滑油分析

润滑油是减速箱最重要的组成部分之一，它不仅起到了齿轮、轴承的润滑与冷却作用，还可清洁摩擦表面的金属粉末及其他微粒，隔绝空气及酸性物质对零件的腐蚀，并起到减震隔音的作用。润滑油的选型不当、油量过多或者过少、粘度降低、杂质变多都会影响减速箱寿命，或者产生故障。对于运行工况恶劣的减速箱，需重点检查其透气孔，避免透气孔堵塞导致箱体内部油压过高而发生漏油、损坏油封、粉尘进入箱体等故障。

该皮带机的减速箱润滑油采用减速箱厂家所要求的VG320矿物油，现场观察润滑油量正常，油品粘度尚可，无乳化、焦化的情况；经化验检测，其粘度和水分指标合格。但据运行反馈情况，减速箱运行时温度较高，达到78℃左右，此温度或会导致减速箱热功率降低，长期高温运行容易导致润滑油粘度降低、焦化变质。

2.4 齿轮轴选型及齿轮硬度分析

减速箱齿轮啮合过程中，既有滚动又有滑动，齿面承受高接触应力，齿根承受高弯曲应力，这就要求制作齿轮的材料需要同时具备两种特性：一是齿轮表面具有足够的硬度，二是齿轮芯部要有足够的强度和韧性。

一般而言，高负载齿轮的制作多采用锻钢作为胚料，按照齿坯处理方法和切齿工艺，制造齿轮的钢材及热处理方法分为2大类：

(1)齿面硬度HB≤350，用中碳钢45号钢、50号钢或中碳合金钢40Gr、40MnB、35SiMn等进行调质或正火处理，终切齿可在热处理后进行。调质后硬度不高(HB=220～250)，材料的综合性能(机械强度和冲右韧性等)比较好，适用于低速、中速和中等平稳载荷下工作。

(2)齿面硬度HB≥350，用中碳钢和中碳合金钢进行表面淬火(齿面硬度HRG=50～55)，或者用低碳钢和低碳合金钢进行表面掺碳淬火处理(齿面硬度HRG=58～63)。处理后齿面硬度高，齿芯韧性好，承载能力强，耐冲击，但加工难度大、成本高。

采用硬度仪对齿轮表面以及内圈键槽位置进行多点测试，平均数据分别是HRC45和HRC43，内外硬度基本一致。

2.5 齿轮设计因素分析

减速箱传动齿轮一般分成2种设计；一种是一体齿轮轴，齿轮与轴一体成型，这种设计可以避免轴与齿轮之间的加工配合，减少配合上的缺陷，但这种设计对加工工艺要求较高，因此价格也较高；另外一种是齿轮体与传动轴为两个零件，通过键槽或者其他形式进行连接，这种设计一般用于较大的齿轮与传动轴配合。由于齿轮体与传动轴之间需要传动扭矩，因此一般都是通过键槽连接，而键槽位置也是齿轮体的一个应力集中点，如果设计不合理或者热处理不合理，容易造成齿轮体在键槽位置开裂。

本案例中，齿轮体是通过单键与高速传动轴连接在一起，而断口位置与键槽位置相近，可以看出，齿轮体开裂的故障与键槽位置的关系较大。

2.6 减速箱输入输出轴对中情况分析

减速箱与电机、减速箱与滚筒之间的对中，必须严格按照联轴器所要求的偏差进行。对中不良，将产生轴向和径向受力，对减速箱的轴承、油封、齿轮以及联轴器本身都会产生较大的冲击及影响，从而造成噪音震动明显、温度过高、漏油、齿轮点蚀或崩齿、轴承损坏、断轴等各种恶性后果。

本案中的输入联轴器为LT9弹性套柱销联轴器，输出轴联轴器为GL14滚子链联轴器，经过事后测量，对中的情况满足标准要求。

3 减速箱崩齿原因

综上，初步分析确定引发减速箱崩齿故障的原因如下：

(1)该高速轴齿轮在设计时采用了齿、轴分离设计，且采用单键连接，在加工时也未过渡，造成齿轮与轴在传动过程中在键槽位置应力集中。

(2)齿轮体未能有较好的热处理，其齿体内圈硬度过大，承受冲击能力较差。

(3)在设备选型时，选取的安全系数十分低，滚筒所需扭矩与减速箱额定扭矩基本一致，在皮带机超负荷启动或者长时间作业导致减速箱高温运行过程中，造成超过减速箱额定扭矩的情况。

4 结语

减速箱设计及制造工艺的合理性，会较大地影响减速箱使用寿命。针对一减速箱的崩齿故障，列举出有可能引起减速箱崩齿损坏的因素并逐一进行论证与分析，最后得出引发减速箱崩齿的可能原因为轴键设计存在应力集中及齿轮体热处理不当。