挖掘機回轉支承早期斷齒故障分析

摘要：挖掘機回轉支承的早期故障主要有斷齒和滾道破壞。在日常使用中發現回轉支承內圈發生斷齒的情況較多，且容易發生在從挖掘機出廠6個月的時間段內，不僅影響了制造廠商的質量形象，也威脅著主機產品的可靠性。文章通過對斷齒樣品的收集、檢測、化驗、計算并進行綜合分析，找出了深層次的原因，并提出了解決對策。

關鍵詞：挖掘機；回轉支承；早期斷齒；嚙齒間隙；熱處理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH133 文章編號：1009-2374（2015）13-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.040

各類型號的挖掘機都由工作裝置、回轉裝置、行走裝置三部分組成，回轉裝置安裝在挖掘機上、下機架之間。挖掘機工作裝置工作時，上部轉動產生了巨大的慣性與離心力，加之挖掘時不確定的阻力大小和頻繁換向的沖擊力，易導致斷齒現象的發生。同時我們也發現斷齒在軟齒面、外嚙合的回轉支承中極少發生，而在硬齒面、內嚙合的回轉支承上卻屢見不鮮。那么挖掘機回轉支承早期易發生斷齒的根本原因是什么呢？經過仔細分析，我們不難發現問題所在。

將收集而來的斷齒樣本經過檢測，通過把檢測結果與國家相關標準相對照，發現其原材料標準、性能參數、熱處理水平、表面處理的要求都滿足國家相關標準的要求，即產品質量沒有任何問題，加之又是原廠配件，但仍出現斷齒問題，所以我們只能在裝配工藝與產品設計上來尋找斷齒故障頻發的原因。下面我們來進行挖掘機回轉支承斷齒的故障分析。

1 輪齒間隙原因

1.1 輪齒間隙標準

一般情況下，按照國家行業相關標準以及行業設計經驗，中小型挖掘機回轉支承在出廠時間隙必須小于0.20mm，在使用過一段時間之后，回轉支承的間隙也不得大于0.30mm。而大型挖掘機可適當加大間隙，但也必須滿足相應的國家行業標準以及行業設計經驗。

1.2 實際工作情況

挖掘機工作時，上部轉動產生了巨大的慣性與離心力，支承滾道內的鋼珠受力擠壓滾道，令其產生形變，此時回轉支承的徑向間隙要比空載時的間隙大得多，一般單側在0.21mm左右，雙側就為0.42mm。再加上機架等的變形，齒輪發生徑向偏移的量甚至能達到0.90mm甚至更多。在實際工作中，由于回轉支承徑向間隙的存在，當大臂受力時，回轉支承沿大臂受力方向的反方向發生位移（位移大小與間隙一致），在位移過程中，當回轉支承與嚙合的小齒輪之間的齒側間隙過小時，還未完成位移，小齒輪就已壓住大齒輪。本應由滾道承載的負荷卻由齒輪代為承受，最終導致了斷齒現象的發生。

1.3 解決辦法

實際的產品生產中應當在滿足國家相關標準的基礎上，挖掘機所采用的回轉支承的齒輪模數要比滾道直徑相同的其他大型機械采用的回轉支承齒輪模數要大一檔，提高齒輪的承載能力。并根據挖掘機型號，嚴格控制回轉支承的出廠間隙，防止滾道受力產生形變時，回轉支承徑向間隙過大，導致位移過多，大小齒輪擠壓造成斷齒。同時，適當調整回轉支承齒圈與小齒輪的齒側間隙，以滿足挖掘機回轉支承的特殊需要。

2 熱處理標準過低的原因

2.1 國家關于回轉支承熱處理的相關標準

由于回轉支承適用的行業領域寬泛，因此為適應大多數的行業標準，降低生產成本，依據國家頒布的回轉支承的行業標準，回轉支承經熱處理后，調質硬度標準一般為207～262HB。

2.2 實際使用時的情況

但是由于挖掘機工作環境差、負荷大、受力強、工況復雜，其支承內圈在工作過程中，較易發生形變。回轉支承斷齒等故障多發，因此國家行業標準不太適合挖掘機這一特殊機械種類。

2.3 解決辦法

之前論述了挖掘機回轉支承的斷齒原因主要是輪齒徑向受力擠壓。因此，提高大小齒輪承受徑向擠壓時抗形變的能力是斷齒故障研究的主要方向之一。

經過實驗，我們嘗試改進回轉支承輪齒生產中的淬火工藝。其主要技巧是在回轉支承輪齒熱處理的工藝過程中，在進行感應淬火及回火工序時，保證輪齒在回火工序中足夠的保溫時間。由于淬火及回火工序的目的是將輪齒的組織材質由奧氏體/馬氏體轉化為回火馬氏體，而一旦回火工序保溫時間不夠，材質未充分轉化，那么在實際的使用過程中，由于挖掘機巨大的沖擊負荷，輪齒遭受強大內應力的同時，會引發類似的組織材質轉化，從而引發受力混亂，易發生斷齒現象。

通過這樣改進生產工藝，防止在使用過程中出現組織轉變，提高輪齒抗形變的能力，可以有效減少挖掘機回轉支承斷齒故障的產生。

3 裝配工藝原因

除了以上所描述的相關原因，挖掘機回轉支承使用早期斷齒故障頻發也可能是由于在生產裝配階段出現了偏差，從而導致產品出現缺陷。

通過對斷齒樣品進行綜合統計分析發現：絕大多數回轉支承的斷齒發生在輪齒的上半部分，這其中一半以上的樣品斷裂面和輪齒上表面相交，并成50°左右的夾角。即使是在全齒脫落的樣品中斷齒的裂紋也是從上到下擴張而來。齒輪受壓產生塑性形變的痕跡也相當明顯，與其他樣品相同的是斷裂面上部的情形較下部斷裂要嚴重得多。

據此，我們認定造成挖掘機發生早期回轉支承斷齒不是受其周向回轉的驅動力擠壓所致，而是由與之進行嚙合的小齒輪所施加的徑向擠壓力所造成的。并且在發生擠壓時，支承齒輪的軸線與小齒輪的軸線并不平行。因此我們可以推測出，在裝配出現誤差的情況下，也會造成挖掘機回轉支承在早期使用中發生斷齒故障。

3.1 挖掘機回轉支承軸線與立軸齒輪的軸線不平行

如果挖掘機在生產裝配時，回轉支承的軸線由于裝配工藝的原因與立軸齒輪的軸線不平行時，會使兩者之間輪齒的嚙合不正常——有效重合的區域過小。

我們都知道如果一對齒輪要想實現連續、可靠的動能傳送，那么它們輪齒之間的重合度必須要大于1（根據行業標準，回轉支承與立軸之間嚙合的重合度需要大于1.2），如果因為裝配工藝造成挖掘機回轉支承軸線與立軸軸線之間的平行發生誤差的話，就會影響它們之間輪齒重合度的大小。誤差嚴重時甚至會造成挖掘機在工作時，其主動齒輪和從動齒輪在一對輪齒嚙合剛剛脫離開來的時候，緊隨其后的一對輪齒卻尚未進入輪齒嚙合的狀態。在這種狀態下，立軸齒輪的輪齒會產生強大的擠壓力，時間一長，回轉支承的輪齒便會在這種擠壓力下發生過度磨損、偏位甚至于斷裂。

3.2 輪齒齒側間隙調整不當

與設計原因中，輪齒間隙不當造成的危害類似，當挖掘機的回轉支承在生產裝配階段，回轉支承的內齒與立軸齒輪的輪齒齒側的間隙裝配不當時，容易造成早期使用時斷齒故障的產生。加之挖掘機所采用的回轉支承的尺寸大、輪齒模數大、齒數多，就更加容易產生這種裝配誤差。

生產裝配時的誤差進而導致了內齒和立軸外齒在嚙合時的重合度大幅降低，有效嚙合齒長較短，導致輪齒不堪重負，最終導致了斷齒現象的發生。

3.3 解決辦法

生產裝配工藝解決的辦法就是進行技術的改造升級，提高機械裝配的精準度與可靠性。同時要加強相關生產人員的培訓與專業素質的提升，培養挖掘機回轉支承生產所需的高級技工人才，從而提高生產力，改進生產技術，改善生產廠商的產品形象。

4 結語

通過大量挖掘機回轉支承斷齒樣本的收集，和對樣品的分解、檢測、化驗、計算并進行了大量的分析排查工作，找出了故障產生的深層次的原因、設計了相關的應對措施。通過增大齒輪模數、嚴格控制出廠間隙、改進回轉支承和小齒輪的齒側間隙、提高熱處理的相關標準以及提升生產裝配工藝水平，我們妥善處理了相關的問題，對我們日常的生產起到了一定的指導作用，極大挽回了回轉支承生產商的產品形象。

參考文獻

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作者簡介：何東生（1985-），男，安徽馬鞍山人，馬鞍山方圓回轉支承股份有限公司研發設計員，助理工程師，研究方向：回轉支承研發設計。

（責任編輯：秦遜玉）endprint