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回轉支承斷齒分析及解決方案——《工程機械》2014年第九期

發布日期:2015-4-21 瀏覽次數:2259

回轉支承斷齒分析及解決方案
     馬鞍山統力回轉支承有限公司  侯寧 朱良銀 胡恒強
徐工機械建設機械分公司   彭方

  一、概況
回轉支承斷齒問題主要發生在內嚙合、硬齒面(齒面硬度≥HRC50)上,比如挖掘機、旋挖鉆、履帶吊等。而外嚙合、軟齒面(齒面硬度≤HRC30),斷齒現象很少見到。根據筆者對國產挖掘機配套回轉支承三十年研究和制造經驗,和外資品牌挖掘機回轉支承后市場十五年來的不完全統計,不同時期,不同品牌國產挖掘機斷齒概率有所不同,約在1%~2%,而后市場回轉支承的斷齒率卻高達5%~6%。特別在某些國產品牌的5噸、7噸、8噸挖掘機上,甚至出現兩位數百分比的大面積斷齒問題。回轉減速機總成的損壞總是與回轉支承斷齒成正比關系,20噸級挖掘機減速機總成的損壞是回轉支承斷齒的2倍左右。某三個外資品牌20噸級挖掘機回轉支承模數分別為10、12、14,但斷齒概率卻不相上下,甚至相反關系。
二、挖掘機斷齒原因分析
筆者在《回轉支承早期斷齒分析及解決措施》(《建筑機械》2002年第7期)一文中明確提出,回轉支承斷齒絕大部分出現在整機出廠早期的一年內,而且是徑向傾斜擠壓造成的(見圖一)。回轉支承的齒輪傳動與之嚙合的小齒輪是“浮動軸傳動”,由于回轉支承本身存在間隙,在挖掘機工作時,會產生一定的傾翻力矩,小齒輪的中心線就會產生一定角度的傾斜和徑向位移,齒輪的中心距和齒側間隙就會發生變化。

 

  圖一  齒輪擠壓示意圖
回轉支承在出廠時是有間隙的,小齒輪安裝在上車架,在主機工作時,回轉支承的間隙會導致小齒輪有個徑向位移量La,在受傾覆力矩M的作用下,小齒輪又會產生一個傾斜角度α。一般情況下,挖掘機用回轉支承的出廠間隙<0.20mm,經過一段時間的使用,回轉支承的間隙<0.30mm在實際的工作中,滾道會產生一定的彈性變形,在給日立建機配套的一款回轉支承,在受載后,滾道和鋼球的接觸區是面接觸(見圖二),這么大的接觸面積,滾道的單邊彈性變形量在0.20mm左右,雙邊就是0.40mm,僅滾道的變形量就這么大,加上主機的機架變形等等各種因素,聯接在挖掘機上車架上的小齒輪的徑向偏移量達到1.0mm左右,對應的大小齒輪的擠壓量也是1.0mm左右。因與回轉支承嚙合的小齒輪安裝在大臂的相反方向,當兩者齒側間隙過小時,位移尚未完成,小齒輪就壓在大齒輪上,這種情況下本應有回轉支承滾道承載的載荷卻有齒輪承載。大小齒輪反復的擠壓們最終導致斷齒。結論是回轉支承的斷齒是由大小齒輪嚙合擠壓造成。

  圖二  受載后鋼球和回轉支承滾道的接觸區
三、解決挖掘機用回轉支承斷齒過程
回轉支承的擠壓斷齒現象:斷齒通常發生在沿齒寬方向的上半部,斷裂面與輪齒的上端面相交,并成45°~60°左右的夾角(見圖三、四),即使全齒脫落其裂紋也是自上而下擴張所致。齒輪受擠壓而產生的塑性變形也相當明顯,且上部較下部嚴重得多,整圈齒槽寬都有不同程度變化,從下至上,從根至頂齒槽寬遞增。

    圖三  斷齒圖                               圖四 有37°斜角斷齒圖

  對于挖掘機用回轉支承的斷齒問題,我們一直在努力的尋找解決辦法,具體的方案分以下幾個過程:
1、確保大小齒輪嚙合的齒側間隙不小于0.06m(m模數)。對20噸級挖掘機,回轉支承的模數是10mm,大小齒輪嚙合的齒側間隙不小于0.6mm。在挖掘機配件后市場,由于客戶對于大小齒輪嚙合時齒側間隙不太注重,導致斷齒率居高不下,于是我們就宣貫斷齒與齒側間隙的關系,讓他們了解齒側間隙控制不好,回轉支承斷齒是必然。進過幾年的宣貫,挖掘機后市場(配件市場)回轉支承的斷齒率由以前的6%下降到5%左右。
2、37°斜角齒輪回轉支承。將回轉支承齒圈非安裝面上的齒輪部分由全齒寬改為具有37°的倒角(見圖五),回轉支承將常發生斷裂的部分人為切去,從而在小齒輪發生位移時無法將擠壓力集中在齒寬的上部,這樣回轉支承的齒輪部分不會在使用早期就產生擠壓裂紋,可以有效延緩回轉支承齒輪早期斷齒問題。通過這個改進,經過兩年的統計,挖掘機后市場(配件市場)用此回轉支承的斷齒率由以前的5%下降到4%左右。

圖五  37°斜角齒輪式回轉支承


3、漸變硬度齒輪回轉支承。既然回轉支承的斷齒是擠壓造成的,
如何預防大小齒輪擠壓是重點。在齒輪進行感應淬火時,將齒輪加熱區段分成正常硬區、過渡區和軟區三段(見圖六),硬區的硬度為HRC50~56,軟區的硬度為鋼件基體的調質硬度。這樣,大小齒輪嚙合產生擠壓時,上端面的軟區就會產生擠壓塑形變形,而不會擠斷。經過一年的數據統計,挖掘機后市場(配件市場)用此回轉支承沒有發生斷齒現象,很好的解決了斷齒問題。

  圖六  漸變硬度齒輪式回轉支承
經過實驗,當回轉支承漸變硬度齒輪在受擠壓產生的軟齒面變形2mm時(見圖七),大小齒輪仍能正常嚙合,完好的傳動;當軟齒面擠壓變形達到3mm時(見圖八),過渡區及硬齒面區產生斷裂現象。

圖七 實驗中,在齒輪上端面擠壓變形2mm時的齒輪情況

圖八  實驗時齒輪上端面擠壓變形3mm時的斷齒情況

  以解決斷齒的方法是加大大小齒輪的齒側間隙,但是一味的的加大齒側間隙,會導致挖掘機鏟斗左右擺動量增大,這是任何主機廠和挖掘機客戶都不愿意看到的結果。漸變硬度齒式回轉支承很好的解決了這一問題,上面已經介紹,經過實驗,當小齒輪對大齒輪擠壓2mm時,漸變硬度齒能完好的正常工作,挖掘機和旋挖鉆在正常工作時,大小齒輪的擠壓量是不會超過2mm的,對于大小齒輪嚙合時的齒側間隙可以適當的減小。在回轉支承出現斷齒的時候,回轉減速機構也同樣出現損壞的情況,大小齒輪嚙合不產生擠壓后,回轉減速機構的損壞也大大降低。這樣,漸變硬度齒式回轉支承即解決了斷齒問題,又能控制挖掘機和旋挖鉆大臂的擺動問題,同時又降低了回轉減速機構的損壞,起到一箭三雕又能控制挖掘機和旋挖鉆大臂的擺動問題,同時又降低了回轉減速機構的損壞,起到一箭三雕的目的。
四、結論
漸變硬度齒式回轉支承投放市場有一年多的時間,二千多套產品,至今未出現一套斷齒問題。漸變硬度齒式回轉支承是對挖掘機、旋挖鉆等工程機械斷齒問題的一次革命性的突破,徹底的解決了斷齒問題。“專業敬業、成就事業”是統力人亙古不變的宗旨。

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