流動式起重機分動箱40CrMn齒輪失效分析與研究

楊賀

（大慶多田野進口吊車大修廠，黑龍江 大慶 163000）

1 試驗方法

動力單元和運行執(zhí)行單元之間的傳遞部分是傳遞箱。該傳輸盒具有傳輸功率高、傳輸速率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。分動箱廣泛應用于起重機、挖掘機、裝載機、推土機等工程設備中，具有廣泛的應用前景。齒輪在動力系統(tǒng)中是重要的組成部分，一旦分動箱出現(xiàn)故障；會使整個傳動系統(tǒng)的傳遞效率降低，設備的作業(yè)性能也降低，有時還會出現(xiàn)更嚴重的后果，就是整個動力傳動路徑崩塌，設備無法進行工作，甚至可能會造成比較嚴重的工作事故。以下對分動箱內(nèi)齒輪出現(xiàn)的失效形式進行了研究和分析，以40CrMn齒輪為例，將40CrMn齒輪的原料、表面硬度、金相組織都分別進行了檢測。針對出現(xiàn)的問題，提出相應的解決方式，并進行實驗驗證，以期為同類型分動箱設計提供一定的參考。

（1）傳動系統(tǒng)組成。移動起重機的運行機理主要由吊裝、伸縮、振幅變化、旋轉(zhuǎn)等幾個部分組成。起重機工作時，利用傳遞箱對各執(zhí)行機構(gòu)進行合理、公平的分配，從而實現(xiàn)吊裝作業(yè)的運行要求。機械液壓傳動系統(tǒng)，采用開放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)，小型載重汽車起重機通常采用換向閥控制的開放系統(tǒng)，這樣做的目的是滿足前后運動和制動的要求，重量級的起重機一般采用的是封閉式系統(tǒng)，而封閉式系統(tǒng)是靠雙向變量液壓泵來改變液壓油在油道中的位置和流動方向，這樣可以使變頻器快速實現(xiàn)轉(zhuǎn)變，達到起重機所需要的條件。這個控制方式體現(xiàn)出液壓傳動的特點。起重機轉(zhuǎn)箱采用的傳動結(jié)構(gòu)為封閉式齒輪傳動。為了應用整個系統(tǒng)，選擇單輸入和三軸輸出。傳輸箱的輸入軸是通過將通用傳動軸與電源單元連接而形成的。傳輸箱中的齒輪進行轉(zhuǎn)動，通過這個轉(zhuǎn)動將電源轉(zhuǎn)送到三個液壓泵組上，這三個液壓泵組是由三輸出軸進行連接的，液壓系統(tǒng)接收控制器的命令進行系統(tǒng)驅(qū)動，然后完成相關(guān)的后續(xù)工作，為起重作業(yè)的完成提供了一個位置。所需的功率是整個傳輸系統(tǒng)的傳輸路徑。起重機由液壓動力驅(qū)動，配備各種液壓裝置。因此，如果不嚴格遵守操作和維護規(guī)則，不僅不可能充分發(fā)揮其應有的性能，而且還要縮短機器零件的使用壽命。因此，在進行這項工作時，我們必須遵守下列事項，每一次每隔一年（或工作滿2000小時）更換所有液壓油（如果油沒有變質(zhì)，可以適當延長換油周期）。當起重機在特別惡劣的環(huán)境下運行時，應相應縮短換油周期。液壓系統(tǒng)的各種閥在出廠前都經(jīng)過了充分的測試，壓力和流量都經(jīng)過了調(diào)整。

（2）齒輪失效原因的檢測。要想保證齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，就需要保證齒輪的檢測這個環(huán)節(jié)，可以說這個環(huán)節(jié)是核心部分，在產(chǎn)品驗收時需要這個環(huán)節(jié)作為前提，檢測的結(jié)果也可以反映出產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。在實驗中表現(xiàn)出分動箱在使用一百小時前后時會出現(xiàn)異常的響聲。測試的結(jié)果表明，當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達到700r/min，且液壓系統(tǒng)中處于空載的情況下，分動箱此時產(chǎn)生的異常噪聲的值為120dB(A)，而正常工作時的噪聲值為108dB(A)，明顯比正常噪聲的值高，也就說明此時起重機存在一定的故障。需要及時安排工作人員進行相關(guān)檢測，并進行一定的維修工作。檢測齒輪失效的原因可以從兩方面著手，分別是對齒輪輪齒的檢測和潤滑系統(tǒng)的分析。

齒輪輪齒檢測中，需要對齒輪的材料、硬度、金相組織分別進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果推測齒輪不能工作的原因。根據(jù)試驗結(jié)果，推斷了該齒輪不能工作的原因。在潤滑系統(tǒng)的分析過程中，分析潤滑油的潤滑方式和使用方法，無論使用不當還是潤滑油使用過度或過少，都不可能達到理想的潤滑效果。因此，我們必須分析推斷出潤滑系統(tǒng)的合理性，不斷改進潤滑系統(tǒng)，提高起重機的效率。

本文中分動箱齒輪的材料為40CrMn，要經(jīng)過滲碳、淬火，然后對其進行高溫回火。利用線切割的方法，對中心太陽輪和行星輪進行取樣。將取得的樣本進行成分分析、分析硬度和組織，通過CX—9800光譜儀、DM2700金相顯微鏡、HVD—10MP數(shù)顯維氏硬度計和HRS—150洛氏硬度計等儀器。

2 試驗結(jié)果

（1）失效形式判斷。當傳動箱打開時，就會看到太陽齒輪和行星齒輪的磨損程度不同。其中，太陽輪的磨損最為嚴重，齒輪變形嚴重，無法操作。而且在分動箱內(nèi)可以看到有鐵屑的存在，且這些鐵屑數(shù)量較多。雖然有鐵屑的存在，但沒有發(fā)現(xiàn)輪齒有斷裂的情況，齒輪仍然可以滿足使用要求。與此同時，行星輪齒面也存在變形的現(xiàn)象，只不過與太陽輪的磨損情況相比，行星輪齒的齒面磨損比較弱。起重機動箱采用的是閉式齒輪轉(zhuǎn)動。造成齒面磨損的原因有多種。有的可能是因為潤滑油中有比較硬的顆粒而造成齒面的磨損，還有的可能是因為潤滑油使用過多或過少沒有形成有效的高壓油膜，還有的可能是因為齒面長時間的接受壓力造成疲勞點蝕。齒面發(fā)生形變，可能是發(fā)生碰撞或者承載的重量過高，超過了齒面的承受能力，以至于齒面發(fā)生了一定程度的變形。

（2）齒輪檢測結(jié)果。經(jīng)過對行星輪和中心太陽輪材料的成分檢測發(fā)現(xiàn)，行星輪的材料符合規(guī)定的化學成分的要求，而中心太陽輪中碳元素的含量低于規(guī)定的含量，對于其他金屬元素的含量，行星輪和中心太陽輪都符合規(guī)定的含量。對行星輪和中心太陽輪進行硬度分析。由試驗數(shù)據(jù)進行分析可以得知，行星輪的有效硬化層厚度低于標準值，為0.35mm。而硬度梯度最大為HV80/0.1mm。硬度是在逐漸下降，且速度比較快，不能滿足所需要求，造成齒面有磨損的情況。對于中心太陽輪來說基本上全都低于標準值，根本就不存在有效硬化層。

行星輪的不同部分的結(jié)構(gòu)可以分析。行星齒輪表面的滲碳層由馬氏體、碳化物和少量的奧氏體組成，其中發(fā)生脫碳。該組織的核心部分主要由火索氏和鐵氧體兩部分組成。根據(jù)行星齒輪的硬度測試結(jié)果，行星齒輪的表面硬度為HRC59，達到了標準值，但還不完善。它接近標準值的下限。其核心部件硬度為HRC37，并符合標準規(guī)定值。對太陽輪齒根的金相組織進行了分析。其金相組織可分為鐵素體和珠光體兩部分。中心太陽輪的核心硬度為HRC29，與標準值相比，中心太陽輪的芯部硬度低，導致齒面磨損嚴重。

分動箱在安裝時需要注意的是，采用水平安裝方式，在水平面上可以看見中心、太陽、行星輪，其中行星輪有三個，其余都是一個。潤滑方式為浸油潤滑。潤滑油加到齒輪的1/3高度停止。當傳動箱齒輪高速轉(zhuǎn)動時，齒輪齒齒處的潤滑油在力的作用下高速飛出，這就是切向力。當齒輪高速旋轉(zhuǎn)時，會形成空氣流動，屬于高壓氣流，并阻礙潤滑油的流動。因此，齒輪的潤滑效果還不夠完善，無法達到預期的效果。處于邊界上的齒輪潤滑條件會比較好，處于中心位置的比較差，所以行星輪位于邊界，所處的環(huán)境比較好，太陽輪位于中心，潤滑油可能會得不到及時的流動。因此，在中央太陽齒輪齒面連接處很難形成高壓油膜。齒輪經(jīng)常會被摩擦。不斷的摩擦會使溫度升高，溫度不能及時冷卻，種種原因會引起一種反應，這種反應被稱為退火效應。一旦產(chǎn)生退火效應，就會使馬氏體被分解，此時的滲透層也會發(fā)生變化，少量的碳灰脫落，造成齒面的硬度變?nèi)酰瘕X面磨損、點蝕和滲碳，同時鐵屑也會引起齒輪磨損。經(jīng)常磨損導致最后一個中央太陽輪不能工作。在工作中，中心太陽齒輪的單齒輪的齒數(shù)和頻率高于行星齒輪的齒數(shù)，是行星齒輪的單齒輪的三倍。

（3）改進與驗證。改進潤滑系統(tǒng)的方法主要有兩種，一種是增加潤滑油的使用量，增加潤滑和散熱的功能，另一種是將原有的油浴潤滑改為被動潤滑，變成主動潤滑，可以在太陽輪軸的中心與外部連接。齒輪泵，壓力對傳動齒輪，強制潤滑。由于空間布局的原因。采用第二種方案后，移動箱體周圍空間發(fā)生了較大變化，操作不便，所以實驗采用第一種方案。實驗中選擇的傳動箱結(jié)構(gòu)與汽車傳動箱的結(jié)構(gòu)相似。根據(jù)一系列的規(guī)定，傳動箱的軸速為1700r/min，輸入軸扭矩為150Nm，輸出軸周期為4?10_5。實驗是在這種條件下進行的。當潤滑油加入到齒輪高度的四分之三時，傳動齒輪的使用壽命達到了標準的要求。此時，齒輪的齒形和效果較好，沒有出現(xiàn)一些齒輪破損等不良現(xiàn)象，在潤滑油中沒有大量的鐵屑。

3 結(jié)語

齒輪失效的主要原因可能是表面硬度低。造成這個現(xiàn)象的原因主要是齒輪輪齒組織的原料是珠光體和鐵素體。在工作過程中齒輪輪齒表面可能會發(fā)生退火效應和脫碳，通過對該齒輪的分析研究，得出了該齒輪失效的主要原因：行星齒輪有效硬化層厚度低于標準值0.35mm。最大硬度梯度為HV80/0.1mm。硬度下降的速度比較快，不能滿足所需要求，造成齒面有磨損的情況，而對于中心太陽輪來說印度基本上全都低于標準值，根本就不存在有效硬化層；行星輪表面有脫碳的現(xiàn)象，中心太陽輪齒輪硬度比較低等等。