電解循環泵組件齒輪掉塊故障分析與改進措施

楊引鋒 陶保平 馮育敏 范海波

摘要：通過對電解循環泵組件主動齒輪掉塊故障的分析，確定故障原因為主動齒輪組件齒輪軸端面低于齒輪端面，磨削齒輪端面時產生剪切力導致齒輪掉塊。針對故障原因提出的改進措施切實有效，為聚醚謎酮材料的加工提供了技術支持。

關鍵詞：主動齒輪;聚醚謎酮;壓套

0 ?引言

電解循環泵的主要功能是實現電解用水的輸運和循環。主、從動齒輪組件是電解循環泵的關鍵零組件之一。在水環境中，金屬的配副方式容易帶來高摩擦、高磨損、高振動以及高噪音，極易發生卡滯、咬死等事故。因此，主從動齒輪組件齒輪部分采用的是聚醚謎酮材料（S-0203），該材料具有極高的耐磨性，幾乎是目前耐磨性能最好的水潤滑材料。然而，電解循環泵組件在裝配故檢時發現，新配出的主動齒輪組件表面有掉塊現象。經確認，該主動齒輪組件某批次均存在掉塊問題。本文針對主動齒輪組件出現的掉塊問題進行系統的分析，準確定位故障，并通過試驗進行了驗證，提出了切實有效的改進措施。

1 ?問題概況

2017年2月21日，電解循環泵組件在裝配故檢時發現，新配出的主動齒輪組件表面有掉塊現象，經核實，17-1批次共9件均存在掉塊現象。

2 ?問題定位

2.1 產品原理

電解循環泵組件中循環泵組件主要由電機、主、從動齒輪組件、殼體組件、軸承、磁極等零部件組成。

循環泵的電機帶動主、從動齒輪旋轉，將泵進口的介質增壓輸送到出口，泵體軸承選用滑動軸承，一對滾動軸承安裝于磁極組件兩側，對磁極組件起支撐作用，電機與泵體采用滑差離合器形式連接。

2.2 主動齒輪、齒輪組件工藝及故障樹

2.2.1 齒輪、齒輪組件工藝：

齒輪工藝流程為：NO0備料--NO5固熔時效—NO10車全部—NO15車端面及外圓-NO20研中心孔—NO25磨外圓—NO30磨外圓—NO35清洗—NO40檢驗—NO45油封

齒輪組件工藝流程為：NO5啟封—NO10壓套件1—NO15車外圓—NO20磨外圓—NO25去毛刺—NO30壓套件2—NO35收口—NO40磨外圓—NO45磨端面—NO50磨外圓--……

2.2.2 主動齒輪組件故障樹（圖1）

2.3 故障排查

根據上述故障樹，開展故障分析。

X1：No5車全部，內孔與端面均在此工序車削加工，齒輪端面留有余量，在組件還需精加工，所以此事件可以排除。

X2：No10去毛刺，要求銳邊倒圓R0.1～0.3，齒輪端面留有余量，在組件還需精加工，所以此事件可以排除。

X3：No10壓套，軸與齒輪的緊度為0.03～0.05，采用常溫壓套的工藝方法，且無專用夾具，此事件暫不能排除，待試驗后檢查確認。

X4：No45磨端面，當壓套后齒輪軸與齒輪端面未平齊時，在齒輪軸端面與齒輪內孔的接觸部位會產生應力集中現象，磨削過程中，與齒輪軸未配合的齒輪會受一定的剪切力，容易產生掉塊缺陷，此事件暫不能排除，待試驗后檢查確認。

X5：No65去毛刺，齒輪與齒輪軸磨削后端面平齊，此部位不產生毛刺，在本工序僅去除齒輪齒頂部位的毛刺，所以此事件可以排除。

針對暫不能排除的底事件X3：No10壓套、X4：No45磨端面進行試驗機分析。

2.3.1 X3：No10壓套試驗

方案一：常溫壓套試驗

①尺寸測量：分別測量齒輪內孔及軸徑尺寸，軸徑尺寸為：4.83～4.836，內孔尺寸為4.8～4.802，配合緊度0.028～0.036，超出設計圖紙緊度要求下限0.002（設計圖紙要求壓套后緊度0.03～0.05）。

②壓套：采用自制工裝在壓力機下進行壓套，壓力作用于齒輪軸上端面，目視齒輪軸與端面平齊。

③檢查：采用體視顯微鏡（倍率為15X）進行檢查，齒輪周邊存在輕微掉塊現象。

方案二：齒輪加熱170℃～180℃，齒輪軸冷卻-40℃～-50℃進行壓套試驗

①尺寸測量：軸徑尺寸為：4.835～4.837mm，內孔尺寸為4.804mm，配合緊度為0.031～0.033，滿足設計圖紙緊度要求（設計圖紙要求壓套后緊度0.03～0.05）。

②加熱齒輪，冷凍齒輪軸：將齒輪放置在恒溫烘箱中，隨箱體溫度加熱到170℃～180℃保持10分鐘后取出;將齒輪軸在-40℃～-50℃低溫冷凍箱中放置10分鐘。

③壓套：將齒輪放置在帶孔的夾具襯套端面上，用手勁即可裝入齒輪軸。

④檢查：采用體視顯微鏡（倍率為15X）進行檢查，齒輪端面無掉塊現象。

2.3.2 X4：No45磨端面

試驗一：磨削前齒輪軸與齒輪端面不平齊

對2.3.1中采用方案一壓套后的齒輪組件在數控磨床S21上進行磨削試驗。

①測量：測量磨削前齒輪寬度5.985mm，齒輪軸與齒輪高度差約0.5mm。

②磨削試驗：砂輪轉速S=35m/s，工件轉速為211r/min，粗進給速度F=0.35mm/min、半精進給速度F=0.35mm/min、精進給速度F=0.07mm/min。

③測量：測量磨削后齒輪寬度5.88～5.91mm，磨削余量0.075～0.105mm。

④檢查：采用體視顯微鏡（倍率為15X）進行檢查，齒輪周邊存在輕微掉塊缺陷。

⑤復檢：放置17小時后再檢查，零件無異常現象出現。

⑥復試：繼續磨削去余量，至齒輪軸與齒輪端面平齊。

⑦檢查：采用體視顯微鏡（倍率15X）進行檢查，齒輪周邊無掉塊缺陷。

試驗二：磨削前齒輪端面無掉塊平齊

采用2.3.1中方案二及自制夾具進行壓套，采用體視顯微鏡（倍率15X）壓套后檢查齒輪端面無掉塊、平齊，進行完45工序磨端面后，檢查無掉塊缺陷。

結論：

①壓套過程中參數選擇不合理，會產生掉塊缺陷。采用常溫壓套的方法，容易產生掉塊缺陷;采用加熱聚醚謎酮齒輪、冷卻齒輪軸的壓套方法，可避免掉塊缺陷的產生。

②當壓套后齒輪軸與齒輪端面不平齊時，在磨削過程中，聚醚謎酮齒輪與齒輪軸未配合的部位受剪切力作用，易產生掉塊;當齒輪軸與聚醚謎酮齒輪端面磨齊平后，聚醚謎酮齒輪不再受剪切力，在磨削過程中不會產生掉塊缺陷;當壓套后齊平，可保證磨端面后平齊不掉塊。

3 ?故障機理

經對故障件進行外觀及冶金檢查，發現主動齒輪組件齒輪軸端面均低于齒輪端面，掉塊缺陷是由于受到應力所致，見圖2。可得出本次齒輪掉塊故障的機理如下：

①齒輪組件進行10工序壓套時，齒輪軸與齒輪為緊度配合，齒輪用的材料為非金屬聚醚謎酮，此材料存在一定的脆性，常溫壓套過程是使用壓力機對齒輪軸的上端面施加一定的壓力，使其壓入非金屬齒輪內孔，造成齒輪內孔和齒輪軸端面的相交處產生掉塊缺陷。

②10工序壓套后若未保證工藝要求的齒輪軸與齒輪端面平齊，且不平齊的高度差大于磨端面的磨削余量，在齒輪軸端面與齒輪內孔的接觸部位產生應力集中現象，進行45工序磨端面時，非金屬齒輪凸出部位受剪切力，在磨削過程中靠近齒輪軸部位產生了掉塊缺陷。

4 ?改進措施

①細化工藝文件的壓套工序，采用非金屬聚醚謎酮齒輪加熱、齒輪軸冷卻的壓套方法，并明確壓套參數。

②設計專用的壓套工裝，確保壓套后齒輪軸與齒輪端面齊平。

③細化壓套、檢驗工序檢查要求，明確使用體視顯微鏡在15倍率下檢查零件端面應無掉塊現象。

5 ?結語

綜上所述，電解循環泵組件齒輪掉塊故障的根本原因是對聚醚謎酮非金屬材料的加工性能不了解，加工方法及參數不合理;間接原因是壓套時非金屬齒輪端面和齒輪軸端面未齊平，未達到圖紙要求，磨削端面時受應力作用導致非金屬齒輪出現掉塊缺陷。根據分析出的故障缺陷原因制定出的改進措施切實有效，經驗證后故障不再出現。此次細化的工藝方法及參數為聚醚謎酮材料的加工提供了技術支持和參考。

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作者簡介：楊引鋒（1985-），女，陜西戶縣人，工程師，研究方向為航空發動機燃油附件齒輪件工藝技術研究。