帶式輸送機減速箱崩齒故障原因探析

李永均

廣州港股份有限公司

1 引言

減速箱是帶式輸送機的重要傳動部件。某煤炭碼頭的帶式輸送機帶寬1 400 mm，效率為2 000 t/h，采用平行軸式三級斜齒輪減速箱進行驅動，皮帶機電機功率220 kW，輸送帶帶速3.15 m/s；減速箱機械功率385 kW，輸出扭矩64 kNm。其運行時長約4 000 h時出現高速軸崩齒輪故障。拆解發現，高速軸小齒輪從傳動鍵槽位置崩掉1/6齒輪，呈整體掉落，斷口基本與軸方向一致，斷口粗糙；其他齒輪未發現點蝕等其他異常現象。

2 原因探析

2.1 功率校核

減速箱的功率選型是否正確關乎整個設備的使用情況。設計人員需要充分了解現場的各類參數，如每天工作小時數、每小時啟停次數、運轉周期、可靠度要求、環境問題、現場散熱條件、使用系數等，并根據以上參數進行計算。規格的選擇要滿足機械功率、輸出扭矩、熱平衡校核等條件。

帶式輸送機的減速箱一般由設計人員根據要求修正參數，按照機械功率和輸出轉矩選擇規格型號。另外，減速箱的熱功率也是一個重要參數，許用熱功率是在特定工況條件下(一般為環境溫度20℃，每小時100%連續運轉)，按照潤滑油允許的最高平衡溫度(一般為85℃)確定的。

根據帶式輸送機實際運轉情況，按照DTII設計手冊進行復核，復核值滾筒軸功率為68 kNm，略超過在用的減速箱額定輸出軸功率64 kNm。

2.2 減速箱使用環境及維護保養分析

除了選型是否正確外，減速箱的使用環境及維護保養也影響設備的使用壽命。

經現場排查，該減速箱每月進行箱體除塵保養，潤滑油按運行時間進行定期更換，潤滑油型號無誤；該減速箱所服務的帶式輸送機為連續24 h運轉制，平均利用率約45%，為斗輪式堆取料機配套地面皮帶，單向運行；減速箱露天工作，工作溫度為5～37℃。以上信息基本符合減速箱維保要求，暫無明顯問題。

該皮帶機作業流量一般為1 500～2 000 t/h，偶爾會達到2 300 t/h。另外，皮帶機除正常的運轉外，還存在故障時滿負荷啟動的情況：當在連續作業過程中，前方設備故障時，輸送機上存在較多煤炭，這時候需要滿負荷啟動，有時候還需要多次啟動，才能將皮帶上的煤炭送走。經現場觀察及司機反饋，該皮帶機是在連續作業6 h后出現打滑故障停機，現場排查發現，該設備電機及減速箱輸入軸能轉動，減速箱輸出軸不轉動。

2.3 潤滑油分析

潤滑油是減速箱最重要的組成部分之一，它不僅起到了齒輪、軸承的潤滑與冷卻作用，還可清潔摩擦表面的金屬粉末及其他微粒，隔絕空氣及酸性物質對零件的腐蝕，并起到減震隔音的作用。潤滑油的選型不當、油量過多或者過少、粘度降低、雜質變多都會影響減速箱壽命，或者產生故障。對于運行工況惡劣的減速箱，需重點檢查其透氣孔，避免透氣孔堵塞導致箱體內部油壓過高而發生漏油、損壞油封、粉塵進入箱體等故障。

該皮帶機的減速箱潤滑油采用減速箱廠家所要求的VG320礦物油，現場觀察潤滑油量正常，油品粘度尚可，無乳化、焦化的情況；經化驗檢測，其粘度和水分指標合格。但據運行反饋情況，減速箱運行時溫度較高，達到78℃左右，此溫度或會導致減速箱熱功率降低，長期高溫運行容易導致潤滑油粘度降低、焦化變質。

2.4 齒輪軸選型及齒輪硬度分析

減速箱齒輪嚙合過程中，既有滾動又有滑動，齒面承受高接觸應力，齒根承受高彎曲應力，這就要求制作齒輪的材料需要同時具備兩種特性：一是齒輪表面具有足夠的硬度，二是齒輪芯部要有足夠的強度和韌性。

一般而言，高負載齒輪的制作多采用鍛鋼作為胚料，按照齒坯處理方法和切齒工藝，制造齒輪的鋼材及熱處理方法分為2大類：

(1)齒面硬度HB≤350，用中碳鋼45號鋼、50號鋼或中碳合金鋼40Gr、40MnB、35SiMn等進行調質或正火處理，終切齒可在熱處理后進行。調質后硬度不高(HB=220～250)，材料的綜合性能(機械強度和沖右韌性等)比較好，適用于低速、中速和中等平穩載荷下工作。

(2)齒面硬度HB≥350，用中碳鋼和中碳合金鋼進行表面淬火(齒面硬度HRG=50～55)，或者用低碳鋼和低碳合金鋼進行表面摻碳淬火處理(齒面硬度HRG=58～63)。處理后齒面硬度高，齒芯韌性好，承載能力強，耐沖擊，但加工難度大、成本高。

采用硬度儀對齒輪表面以及內圈鍵槽位置進行多點測試，平均數據分別是HRC45和HRC43，內外硬度基本一致。

2.5 齒輪設計因素分析

減速箱傳動齒輪一般分成2種設計；一種是一體齒輪軸，齒輪與軸一體成型，這種設計可以避免軸與齒輪之間的加工配合，減少配合上的缺陷，但這種設計對加工工藝要求較高，因此價格也較高；另外一種是齒輪體與傳動軸為兩個零件，通過鍵槽或者其他形式進行連接，這種設計一般用于較大的齒輪與傳動軸配合。由于齒輪體與傳動軸之間需要傳動扭矩，因此一般都是通過鍵槽連接，而鍵槽位置也是齒輪體的一個應力集中點，如果設計不合理或者熱處理不合理，容易造成齒輪體在鍵槽位置開裂。

本案例中，齒輪體是通過單鍵與高速傳動軸連接在一起，而斷口位置與鍵槽位置相近，可以看出，齒輪體開裂的故障與鍵槽位置的關系較大。

2.6 減速箱輸入輸出軸對中情況分析

減速箱與電機、減速箱與滾筒之間的對中，必須嚴格按照聯軸器所要求的偏差進行。對中不良，將產生軸向和徑向受力，對減速箱的軸承、油封、齒輪以及聯軸器本身都會產生較大的沖擊及影響，從而造成噪音震動明顯、溫度過高、漏油、齒輪點蝕或崩齒、軸承損壞、斷軸等各種惡性后果。

本案中的輸入聯軸器為LT9彈性套柱銷聯軸器，輸出軸聯軸器為GL14滾子鏈聯軸器，經過事后測量，對中的情況滿足標準要求。

3 減速箱崩齒原因

綜上，初步分析確定引發減速箱崩齒故障的原因如下：

(1)該高速軸齒輪在設計時采用了齒、軸分離設計，且采用單鍵連接，在加工時也未過渡，造成齒輪與軸在傳動過程中在鍵槽位置應力集中。

(2)齒輪體未能有較好的熱處理，其齒體內圈硬度過大，承受沖擊能力較差。

(3)在設備選型時，選取的安全系數十分低，滾筒所需扭矩與減速箱額定扭矩基本一致，在皮帶機超負荷啟動或者長時間作業導致減速箱高溫運行過程中，造成超過減速箱額定扭矩的情況。

4 結語

減速箱設計及制造工藝的合理性，會較大地影響減速箱使用壽命。針對一減速箱的崩齒故障，列舉出有可能引起減速箱崩齒損壞的因素并逐一進行論證與分析，最后得出引發減速箱崩齒的可能原因為軸鍵設計存在應力集中及齒輪體熱處理不當。