在线强制磨合修复在大型开式齿轮上的应用

2015-12-14宋传照

设备管理与维修 2015年6期

关键词：开式小齿轮轮齿

宋传照

（福斯润滑油（中国）有限公司河北唐山）

大型开式齿轮传动一般低速运转且传输巨大力矩，承受繁重工作，同时粉尘、矿浆等会侵入齿轮罩。做好开式齿轮管理和维护，除了选择合适的开式齿轮润滑剂和润滑方式，还要了解齿轮常见失效形式、改进及修缮方法，延长其服务寿命。

一、开式齿轮常见失效形式

1.齿面磨损

齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。齿面磨损种类较多，主要是磨粒磨损（图1）。

（1）产生原因。研磨材料（如砂粒、铁屑等硬质颗粒）进入开式齿轮的啮合工作面。在啮合的工作齿面做相对滑动时，研磨材料使得齿面材料损伤、脱落，造成磨粒磨损。齿轮在废润滑剂和研磨材料的混合物中运行。

（2）危害。降低了齿轮强度。过度磨损使齿厚变薄，容易引起轮齿折断。造成载荷分布不均，导致齿面局部承载过高。啮合不平稳，振动升高。齿面磨损破坏正确齿廓形状，严重影响传动性能和传动平稳性。降低齿轮服务寿命。

（3）解决方案。提高齿面硬度，以减少轮齿磨损。对于重要齿轮传动应采用闭式齿轮传动，确保润滑，注意润滑油的清洁和更换。对于开式齿轮传动。尽量做好密封防护，避免或减少磨粒进入齿轮工作面；采用短间隔的喷洒润滑或循环润滑，也可较好解决油池润滑时混在润滑剂里的颗粒杂质被齿轮带起，形成循环污染，加速齿面磨损的问题；选用磨耗比较低的高粘度润滑油。

图1 磨粒磨损

2.轮齿折断

轮齿折断主要分为疲劳折断和过载突然折断，前者是最主要的失效形式。

（1）产生原因。大、小齿轮找正偏差过大，齿面严重偏载。齿轮受到剧烈的冲击载荷作用。齿面过度磨损和损伤。轮齿承受的作用载荷超过了齿轮的抗弯强度。

（2）危害。在齿轮啮合传动中发生断齿等灾难性故障。停机停产。需要准备新齿轮。

（3）改进方案。安装、维护时做好开式齿轮副大小齿轮的找正，调整好齿轮齿顶隙和齿侧隙，使齿面上载荷沿齿宽方向均匀分布，避免齿面局部过载或偏载。使用过程中尽可能避免或减少过载、严重冲击载荷等。在齿轮设计、加工方面，提高轮齿抗折断能力。增加齿根过渡圆角半径并消除该处加工刀痕，以降低应力集中；增大轴及支持刚度，以减小齿面上局部受载程度；使齿芯材料具有足够韧性，在齿根处施加适当强化措施（如喷丸等）。

3.齿面点蚀

齿面点蚀是齿面材料在交变接触应力条件下，由于疲劳而产生麻点状剥蚀损伤现象。齿面上最初出现点蚀仅为针尖大小的麻点，随着应力循环次数的增加，麻点逐渐扩大，特别是润滑油的渗入，受压挤胀，加速麻点扩展，导致齿面材料脱落而形成凹坑。

（1）产生原因。采用喷洒润滑的方式时，喷嘴间距不合理。由于齿顶和齿根部的过度磨损，使得齿面节圆线附近凸出，造成节圆线附近局部超载。

（2）危害。永久地损失了接触面积。点蚀部位成为潜在的疲劳裂纹形成区域。具有潜在的轮齿折断风险。点蚀持续恶化。

（3）改进方案。设备运行初期。进行良好磨合等措施，提高齿面抗疲劳损伤能力。润滑方面。调整好喷洒距离，使润滑剂均匀覆盖齿面；保证充足良好润滑状态，尽量采用黏度高的润滑油。对已产生点蚀的部位，进行机械打磨，圆滑止裂处理，避免点蚀扩展。齿轮设计方面，选择高强度齿轮材料；提高齿面硬度；选择合适参数（如增加齿数以增加重合度）；降低表面粗糙度。

图2 齿面胶合

4.齿面胶合（图 2）

对于高速重载齿轮传动，齿面间压力大，摩擦力较大，瞬时温度高，使啮合区温度过高，一旦润滑条件不良，齿面间油膜便会消失，相啮合的两齿面就会发生局部金属直接接触，出现相互粘结在一起的现象，同时两齿面又做相对滑动，致使较硬金属齿面将较软金属齿面表层沿滑动方向撕划出沟槽，即称为胶合。齿轮传动中，齿面上瞬时温度越高、滑动系数愈大的地方，愈易发生胶合，齿轮顶部最为明显。

（1）产生原因。齿面长期未润滑。超载或齿面温度过高，造成润滑油膜破裂。在润滑剂和磨料污染物的混合物中运行。选用了不合适的润滑剂。

（2）危害。减少了齿面接触面积。齿面局部超载。齿轮振动升高。齿面胶合损伤持续恶化。

（2）改进方案。设计加工方面。提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；选择抗胶合能力强的齿轮副材料；选择合适的齿轮参数（如适当减小模数，增加齿数）。润滑方面。采用抗胶合好的润滑油，保持润滑剂的清洁。使齿轮得到有效散热，降低齿面工作温度。

图3 齿面塑性变形

5.齿面塑性变形（图 3）

当轮齿材料较软，载荷及摩擦力又很大时，齿轮在啮合过程中，齿面表层材料就容易沿着摩擦力方向产生塑性变形。在主动轮工作齿面节线附件形成凹沟，从动轮工作齿面上形成凸脊。材料较软的齿轮，受过大的冲击载荷作用时，还会使整个轮齿产生塑性变形而呈现扭曲。

（1）产生原因。齿轮表面接触应力超过了材料的屈服强度。选用的润滑剂不合适或润滑不充分。

（2）危害。齿面润滑膜不均匀。齿面磨损。齿轮振动增加。齿面塑性变形持续恶化。

（3）改进方案。提高齿面硬度。采用适合、黏度较高的润滑油，保持齿轮润滑充分。

图4 小齿轮损伤照片

针对不同的齿轮失效形式，维护修理时要具体问题具体分析，查找原因，然后再选择经济适用的修复方法，以及制定相适应的保养规范。

二、在线强制磨合修复应用实例

某台Φ4.6×6.1 m矿山球磨机2009年投运后，更换两次开式齿轮副中的小齿轮，由于两个小齿轮发生轮齿折断、胶合等严重损伤，备件和维修费用较高。设备使用期间，虽经多次调整、打磨、重新找正，实际效果不理想，经常停机，严重影响生产。

1.开齿检查及评估

2012年对该球磨机开式齿轮运行状况进行了动态检查。

（1）发现小齿轮左侧（非驱动端）齿面上2个轮齿局部折断，齿面有明显胶合损伤（图 4）。

（2）观察小齿轮齿面热成像图（图5），齿面中部偏左区域温度较高，检查润滑剂喷洒情况，喷洒均匀。分析认为齿面载荷分布不均，齿面中部偏左区域载荷较高。大齿轮动态照片见图6。

（3）结合图 7、图8，进行设备检测，数据见表1。

根据上述情况，齿面局部接触过高，轮齿局部折断、胶合损伤严重，造成齿面实际接触面积过低，这种情况若不改善，会导致高载荷区域疲劳损伤，而且现有损伤可能进一步扩展。

图5 小齿轮齿面热成像

图6 大齿轮动态照片

图7 小齿轮轴承座振动测量点位置

图8 大齿轮齿面温度测点位置

2.解决方案

常规处理方法：对大、小齿轮齿面进行大面积人工打磨，增加接触面积，停机维修时间长。更换新的小齿轮，检查齿面接触情况，若齿面接触不均匀，则需要打磨。备件费用较高，停机维修时间较长。更换新的小齿轮，大齿轮倒面使用，或大小齿轮同时更换。备件费用很高，停机维修时间也很长。

为不影响生产，降低生产成本，考虑在不停机情况下修复齿轮。该球磨机开式齿轮问题，符合福斯润滑油公司在线强制修复技术的适用范围。在线强制修复时，球磨机正常载荷生产，修复剂动态削除齿面接触高点、改善接触，使载荷分布更均匀，且成本低，维修时间短。

表1 设备检测数据

在线强制磨合修复基本原理见图9，修复前，齿面表面粗糙度较高，存在局部高接触区域，造成齿面实际承载面积较低；在线强制磨合修复后，齿面接触面积明显增加。经过研讨，最终确定采用在线强制磨合修复此开式齿轮副。

图9 在线强制磨合修复示意

3.修复实施

（1）准备工作。3 kg（1.5 kg/桶）RE-CONDITIONER TS 111修复剂。1桶（190 kg/桶）CEPLATTYN RN磨合润滑剂。30L680齿轮油。0.4～0.6 MPa压缩空气源。1台电动搅拌器及相应电源。1个洁净的15 L空桶。1台专用喷洒泵。

（2）在线强制磨合修复（图10）。①首先将3 kg修复剂、7.5 L磨合润滑剂、30L680齿轮油搅拌调和。②修复液的喷洒施工作业。在磨机正常运行下，从齿轮罩的检修口，用喷洒泵将修复液喷洒到齿轮工作齿面上。根据实时监测齿面状况、齿面温度和小齿轮振动，严格控制喷洒量及喷洒位置。首先，修复液喷洒量分配是90%修复液喷洒到大齿圈，10%修复液喷洒到小齿轮；第一轮喷洒，每次喷洒间隔时间是5 min，每次喷洒量为大齿圈转2周，沿整个齿宽均匀喷洒。连续做4次间隔5 min的喷洒，期间检查齿面状况、齿面温度及小齿轮振动，后续完成每次喷洒后，均需检测、分析这些数据，调整喷洒；接着，间隔1 h，再喷洒。每次间隔15 min。调整每次喷洒量为大齿圈转2周，在大、小齿轮从左侧非驱动端到驱动端的3/4齿宽上均匀喷洒。连续做5次间隔15 min的喷洒；然后，间隔2 h，再做喷洒，每次间隔30 min，每次喷洒量为大齿圈转2周，大小齿轮从左侧非驱动端到驱动端的3/4齿宽上均匀喷洒。连续做5次间隔30 min的喷洒。检测齿面状况、齿面温度及小齿轮振动情况，齿面温度分布在逐渐均布。修复时间为2个工作日；24 h内进行动态检测。