中空成型機擠出系統減速箱齒輪故障原因分析與處理

莫振彪

（茂名市高技能人才公共實訓中心，廣東 茂名 525000）

1 中空成型機齒輪箱故障現象

隨著經濟增長、汽車工業高速發展和重化產業升級等，對潤滑油的需求量會進一步增加。中空成型機是4 L塑料潤滑油桶的主要制造裝備，隨著潤滑油桶制造技術的發展，其控制系統經歷了半自動、全自動的發展過程，其成型原理為“擠-吹”成型。設備主要由擠出系統、冷卻系統、液壓控制系統、氣動系統等構成，其中擠出系統是中空成型機的核心部分，包括電動機、齒輪減速箱、料斗、擠出螺桿、擠出機頭等。減速箱是其工藝系統的一個重要組成部分，是機器能否正常運行的主要因素之一，直接影響擠出效果、機器的生產效率及產品質量。其結構簡圖如圖1所示[1]。

圖1 擠出系統齒輪減速箱傳動示意圖

減速系統為三級單螺旋閉式齒輪減速器，設計參數為：功率500 kW，輸入轉速輸出轉速850~1 150 r/min，傳動比1∶22.393，潤滑方式為飛濺潤滑。

該機組投入使用一段時間后，減速箱出現振動，并伴有較大噪音異響，對其進行解體檢查，發現減速箱第三級小齒輪（即圖1的齒輪5）齒面表層上的金屬微粒出現點蝕剝落，形成麻點狀的凹坑（如圖2所示），并有進一步擴大的趨勢，導致減速箱在高溫環境及大負荷工況下，機組運行參數明顯惡化，嚴重影響機組的正常生產。

圖2 齒面點蝕圖

2 齒輪疲勞點蝕故障原因分析

齒輪齒面接觸疲勞點蝕是一般閉式齒輪傳動軟齒面常見的失效形式，其機理為：輪齒嚙合過程中，接觸面間產生接觸應力，該應力是脈動循環變化的，齒面在交變應力的反復作用下，如果接觸應力超過了齒輪材料的接觸疲勞極限，表層就會產生細微的、不規則的疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的蔓延、擴展，導致齒面表層小片狀剝落。因此，接觸應力的大小是齒輪產生疲勞點蝕的關鍵和主要原因。由于減速箱齒輪為軟齒面低速重載齒輪，并且過早出現疲勞點蝕，所以應校核其接觸疲勞強度[2]。

2.1 齒輪接觸疲勞強度判別標準

對于外嚙合圓柱齒輪，其齒面接觸疲勞強度條件為：σH≤ [σH][3].

2.2 齒輪接觸疲勞強度校核

2.2.1 第三級小齒輪的主要技術參數

出現齒面接觸疲勞點蝕的小齒輪主要技術參數為：模數mn=12，齒數z=22，分度圓壓力角α=20°，分度圓螺旋角β=17°，齒寬B=85 mm，小齒輪材料為40 Cr調質，齒面硬度260 HBW，精度8級。

2.2.2 小齒輪齒面接觸應力計算

（1）最大工作轉矩

（2）齒面接觸應力σH

式中：ZE為彈性系數，ZE=189.8 MPa；ZH為節點區域系數，ZH=2.5；Zε為重合度系數，Zε=0.78；Zβ為螺旋角系數，Zβ=0.976；K 為載荷系數，K=2.43.代入上式計算得：

σH=616.5 MPa

2.2.3 小齒輪許用接觸應力計算

（1）σHlim—接觸疲勞極限，對于淬火調質鋼齒輪，查表得[4]：σHlim=710 MPa

（2）查表核算壽命系數[3]：ZN=0.975；安全系數[4]：SHmin=1.0~1.10

（3）代入公式計算許用接觸應力為：

2.2.4 齒輪點蝕剝落結論

通過以上分析計算可知，σH=616.5 MPa≈[σH]=629.3 MPa，可知，齒輪接觸應力與許用接觸應力基本相等。在設計壽命時間內出現接觸疲勞點蝕現象，是由于齒輪接觸應力與許用接觸應力接近，相互嚙合配對齒輪，在相同載荷的條件下，小齒輪由于轉數多，應力作用循環次數多及載荷的波動等導致疲勞點蝕的發生。

3 故障處理措施

齒面疲勞點蝕是潤滑良好的閉式齒輪常見的失效形式，齒輪點蝕后會使齒輪有效接觸面積減少，齒面單位載荷增大，影響傳動的平穩性，增加能耗，產生振動和噪音，甚至不能工作，嚴重時會導致齒輪斷裂而發生重大事故。為保證裝置正常運行，在現有工況條件下對減速箱提出改進措施。

3.1 更換小齒輪，并進行表面強化處理

更換小齒輪，并對齒輪進行深層滲碳、表面淬火磨齒工藝，齒輪加工精度要求達到7級以上，齒面進行噴丸強化處理。具體強化措施：滲碳淬火+低溫回火工藝。滲碳在920~930℃進行，在較短的時間內獲得較深的滲層，再經過淬火+低溫回火處理，使表面獲得高碳馬氏體，齒面硬度達到了50 HRC，達到了理論設計大于38 HRC的要求，保證了硬度和耐磨性，芯部為低碳馬氏體，保證了韌性[5]。

3.2 重新設計潤滑系統，加強潤滑

在原有飛濺潤滑基礎上，增設第三級齒輪副嚙合點處噴油潤滑裝置（如圖3所示），加強潤滑；并定期檢查潤滑油，及時更換潤滑油，加強潤滑油的冷卻作用[6]。

圖3 噴油潤滑示意圖

技術改造后，減速箱整體承載能力得到提高，經過一年多的運行，中空成型機減速箱齒輪狀況良好，齒輪點蝕損壞事故大幅下降，減少了檢修維護時間和運行成本，保證了裝置的正常生產，取得了較好的經濟效益。

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