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工业齿轮箱失效问题及防护对策浅析

时间:2023-10-10来源:

导语:齿轮箱是机械设备传动系统的重要组成部件,同时也是传动系统中最容易 发生故障的部件。随着装备制造业的蓬勃发展,特别是大功率工业装备日趋主 流,如何有效提高产品质量,确保服役可靠性已然成为装备制造业亟需攻克的 难题。

  齿轮箱是机械设备传动系统的重要组成部件,同时也是传动系统中最容易 发生故障的部件。随着装备制造业的蓬勃发展,特别是大功率工业装备日趋主流,如何有效提高产品质量,确保服役可靠性已然成为装备制造业亟需攻克的难题。本文从工业齿轮箱的服役环境特点出发,对组成齿轮箱的关键零部件的 工作状态和主要失效模式进行分析论述,并探讨了相应的防护补救措施。该项 工作对于防止和延缓工业齿轮箱同类损伤失效事件的再次发生,提高工业装备 服役寿命具有重要指导借鉴意义。

  齿轮箱是组成工业装备传动系统的关 键部件,广泛用来实现变速、改变转矩、 离合以及分配动力等功能。例如风电设备 需要增速齿轮箱将风能缓慢驱动的转轴加 速到可有效发电的转速,而一些应用于重 载行业的机械设备的传动系统常由减速齿 轮箱组成,通过减速实现大转矩输出。我 国工业化水平持续向高水平稳步迈进,离 不开工业装备的不断升级。随着工业装备 向大功率、长周期安全服役发展,齿轮箱 关键零部件的可靠性把控成为装备制造者 关注的重点。一个典型的工业齿轮箱主要 由箱体、箱盖、齿轮轴、齿轮、轴承等关 键零部件装配而成。在服役过程中,以上 构件都有可能发生损伤失效,造成运行故 障或安全隐患。为此本文主要就工业齿轮 箱的服役工况、关键零部件的失效模式及 对应的防护对策展开分析论述,旨在指导 工业齿轮箱的损伤预防和延缓失效的发 生,从而延长工业装备的服役寿命。

  1 工业齿轮箱的服役环境

  工业齿轮箱是高速轻载、高速重载、 低速重载动力传递的重要纽带。涉及领域 包括风力发电业、建筑与采矿业、加工制 造业等,服役工况十分苛刻。例如风力发 电设备多安装在气候恶劣的偏远地区,主 要地,陆上风场有沙尘、冰雪、低温,海 上风场有盐雾、台风等。风电设备在极端 工况下故障率较高,尤其涉及齿轮箱的密 封润滑系统 。用于建筑采矿业及钢铁生 产加工业的机械设备齿轮箱,多属低速重 载运行,传递的转矩大,且设备服役工况 恶劣,长期处在多硬质粉尘的环境中,外 加冲击载荷和高频振动作用,传动系统升 温快,增加了零部件的磨损速度,造成漏 油等系列问题。工业齿轮箱在上述服役环 境下发生损伤失效的形式多样,下文将针 对齿轮箱零部件常见的失效形式及对应的 减伤延寿方法展开论述。

  2 工业齿轮箱的失效模式及防护措施

  常见的工业齿轮箱零部件损伤失效案 例有箱体失效、齿轮失效、轴磨损或断裂 失效、轴承失效及其他非常规失效 。齿 轮箱失效原因既有设计制造缺陷等内因, 也有安装、使用和维护保养不当等外因。

  齿轮箱箱体主要用来支撑和包容齿轮 等关键零部件,承载润滑油。由于构造复 杂,通常为铸件。铸造时冒口位置散热速 度慢,常造成组织粗大等缺陷,引起力学 性能下降。另外,箱体结构的转角位置常 伴有应力集中,在有外部腐蚀介质的环境 中极易发生应力腐蚀开裂。为有效防止箱 体失效,应从结构设计和加工工艺方面入 手,一方面增加足够的圆角过渡缓解应力 集中,引入加强筋提高箱体刚度等。另一 方面在制定铸造工艺时重点关注铸件的冒 口位置,如通过加冷铁激冷等方式可有效 避免粗大晶粒的生成,从而获得良好的综 合力学性能。此外通过优化箱体涂装工 艺,可有效防止腐蚀介质的侵蚀作用,实 现箱体延寿。

  齿轮是传动系统中最为关键的零部 件,也是最易产生损伤失效的零部件。在 重载传动时,齿轮副软齿面难免因屈服产 生塑性变形,造成齿形偏差,进一步发展 使得应力集中的根部位置发生折断 。点蚀是齿面失效的一种形式,多发生在齿根 面上节线处,节线处齿轮副的相对滑动速 度低,形成油膜的条件差,容易出现润滑 不良。齿轮啮合面直接接触产生较大的摩 擦力直接造成微小裂纹,加之渗入润滑油 的挤压作用造成小区域剥落,形成齿面麻 点。在重载传动中,齿轮的齿面啮合区局 部高温环境会引起润滑失效,造成两金属 面直接接触粘连,在随后的相对滑动中出 现齿面胶合失效,软齿面材料将会被犁沟 带走。在润滑不足和多尘环境下,齿面磨 损难以避免,粉尘、磨损产生的金属屑都 会引起齿面间磨粒磨损,齿面磨损到一定 程度会造成齿轮箱异常振动,最终导致传 动故障 。引发齿轮上述失效的原因可能 为选材和热处理工艺不当,设计制造误 差,或者设备使用维护不当。为防止齿轮 失效,在设计加工环节就应降低损伤。通 过合理选择制造工艺,增加易产生应力集 中位置处圆角过渡,采取热处理渗碳渗氮 手段提高齿面硬度,保证足够的润滑环境 及润滑油清洁度等,必要时还需针对具体 服役工况提高润滑液粘度及散热性达到良 好润滑。

  在长时间工作过程中,齿轮轴的磨损 难以避免。轴磨损直接造成原配合面的松 旷,对外表现为异常振动和声响,严重时 还会造成润滑油外漏和偏载。若修复不及 时或将影响其他传动件的正常运转,引发 连带失效。通常采用堆焊再加工、打麻点 或镶嵌轴套等手段对磨损的轴进行修复, 但这些方式都不是理想的修复手段,过程 繁琐且会间接带来新的缺陷。随着科技进步,现在开 发了高分子复合材料用以安全有效修复 。 齿轮轴在服役过程需承受较大的扭矩,在 强扭矩作用下齿轮轴有发生弹塑性变形的 趋势。即使在低应力状态,长期的交变载 荷也会引起材料的疲劳破坏,引起齿轮轴 断裂失效。合理选择材料和加工工艺对于 提高齿轮轴的疲劳强度尤为重要,此外在 热加工过程要严格规避夹杂物,因为这往 往是后期齿轮轴发生脆性破坏的根源。

  轴承是工业齿轮箱中重要的零部件, 用以支撑旋转体,减小摩擦系数。轴承失 效是齿轮箱失效的一个重要故障源,尤其 低速重载工况下轴承难以形成良好的润滑 条件,从而引发系列失效问题。滚动轴承 的滚动体与内外圈通过点接触发生滚动, 接触应力大,由此引起的失效形式主要有 磨损、接触疲劳。另外滚动轴承的保持架 也是易损坏的部件之一,在安装不当和过 载运行时产生的轴向载荷,冲击载荷常引 起保持架的变形失效、支柱断裂或脱焊。 滑动轴承工作特点为滑动摩擦,滑动体之 间为面接触,因此常用在承载要求高的部 位。滑动轴承的失效形式多为疲劳剥落、 磨粒磨损等 。轴承磨损常在润滑不足时 发生,外来硬质粒子直接造成轴承表面犁 沟状擦伤,另外润滑条件严重恶化时还会 因摩擦面微区焊合引起黏着磨损。游隙是 轴承安装时重点考虑的参数,适量增大游 隙可保证轴承的润滑和散热,但游隙过大 会削弱轴承抵抗冲击载荷的能力。

  3 结语

  目前对齿轮箱失效的认识水平大多建 立在对实际案例的分析结果上,在关键零 部件疲劳、磨损及断裂失效的机理问题上 仍有很大的研究空间。具体地,还需加强 对材料宏观失效与微观组织结构演变的关 系研究,分析齿轮箱各零部件的强耦合关 联性及复杂的外载荷条件对内部结构的损 伤演变规律,探索复杂交变载荷与内部结 构响应机制。另外,加强齿轮箱运行状态 监测和开发远程故障诊断技术,对服役设 备进行定期、定点维护检查,建立振动状 态、润滑油状态、箱体的运行温度等关键 指标和故障发生的对应关系,提高综合质 量管理水平等是事先预警、有效避免或延 缓工业齿轮箱发生失效的有力措施。

标签: 工业齿轮箱

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