減速器軸承跑外圈問(wèn)題分析與解決方案

SEW-傳動(dòng)設(shè)備（蘇州）有限公司 蘇州 215021

0 引言

斗輪堆取料機(jī)是指一種用于大型干散貨堆場(chǎng)的既能堆料又能取料的連續(xù)輸送的高效裝卸機(jī)械[1]。由可俯仰和水平擺動(dòng)的皮帶輸送臂及其前端的斗輪、機(jī)架、運(yùn)行機(jī)構(gòu)等組成，皮帶可雙向運(yùn)行，取料時(shí)由斗輪取料經(jīng)輸送臂送出，堆料時(shí)則由主輸送機(jī)運(yùn)來(lái)的貨物經(jīng)輸送臂投向堆場(chǎng)。懸臂皮帶驅(qū)動(dòng)減速器即肩負(fù)著此輸送帶的重任，在運(yùn)行期間需隨著大臂架的俯仰而隨之跟隨擺動(dòng)，由于工位特殊，對(duì)減速器的可靠性有較高要求[2]。

1 減速器故障特征與拆檢分析

1.1 驅(qū)動(dòng)總成

減速器為3級(jí)傳動(dòng)，速比i =16.15，帶軸端泵，箱體為專用散熱筋設(shè)計(jì)，減速器對(duì)電機(jī)服務(wù)系數(shù)為2.53。該型產(chǎn)品屬于成熟型設(shè)計(jì)，在此類工況有較多成功應(yīng)用。電機(jī)為400 kW、4極電機(jī)，電機(jī)與減速器設(shè)置共同底座，通過(guò)液力耦合器與制動(dòng)輪相聯(lián)接，減速器輸出軸通過(guò)鏈條式聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)輥筒聯(lián)接，在此工位該結(jié)構(gòu)也為通用性配置。

1.2 驅(qū)動(dòng)總成狀態(tài)檢查

該工位減速器運(yùn)行大約3 a一直正常，在設(shè)備巡查中發(fā)現(xiàn)有異常噪音出現(xiàn)，隨即組織拆檢確認(rèn)。

1）減速器內(nèi)部狀態(tài)檢查

所有齒輪和其他部位均未見(jiàn)異常，如圖1a所示；上下箱體在輸出軸軸承位置有明顯的啃傷痕跡，如圖1b所示；非輸出側(cè)軸承負(fù)荷區(qū)域存在逆時(shí)針約30°～40°的偏移，且咬傷痕跡較嚴(yán)重，如圖1c所示；箱體在輸出軸側(cè)部位存在一整圈的拖痕；軸承外圈有咬傷痕跡，內(nèi)圈和滾動(dòng)體未見(jiàn)明顯的點(diǎn)蝕痕跡。

圖1 減速器內(nèi)部狀態(tài)

2）輸出軸軸承情況檢查

箱體內(nèi)部所有7套軸承，由于沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸承組件其他方面的問(wèn)題，只發(fā)現(xiàn)外圈跑圈或材料磨損痕跡，因而重點(diǎn)針對(duì)輸出軸軸承外圈跑圈進(jìn)行分析。

①非出軸端 約1/2外徑面上呈現(xiàn)嚴(yán)重的軸向材料粘著磨損痕跡，另1/2呈現(xiàn)輕微的圓周方向跑圈痕跡。

②出軸端 整圈都呈現(xiàn)輕微的、不連續(xù)的軸向材料磨損痕跡和較嚴(yán)重的圓周方向跑圈痕跡。

1.3 拆檢初步結(jié)論與勘查驗(yàn)證

由于減速器除輸出軸軸承跑外圈外，其他均正常，且其痕跡的負(fù)荷區(qū)域在非正常部位。從裝配與設(shè)計(jì)角度出發(fā)，綜合考慮整體結(jié)構(gòu)，非正常狀態(tài)有可能來(lái)源于輸出軸負(fù)載端，故需將輸出軸聯(lián)軸器的狀態(tài)檢查納入考察范圍。

檢查聯(lián)軸器鏈齒形部位，發(fā)現(xiàn)存在較明顯的壓痕，且在圓周分布上存在不一致現(xiàn)象：就單個(gè)齒形的壓痕來(lái)看，A側(cè)與B側(cè)的壓痕寬度不一樣，存在大小頭痕跡，同時(shí)A側(cè)與B側(cè)的壓痕深度不一樣，B側(cè)比A側(cè)壓痕寬且深。無(wú)論進(jìn)場(chǎng)側(cè)還是出場(chǎng)側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向，鏈輪輪齒均存在這種現(xiàn)象，同時(shí)一圈壓痕大小有明顯的不一致情況，如圖2所示。

圖2 聯(lián)軸器檢查信息

從痕跡信息推斷壓痕寬度與深度不一致，證明負(fù)荷加載在聯(lián)軸器輪齒的壓力不一樣，存在一頭大一頭小的現(xiàn)象，有扭曲存在，需要將工作一段時(shí)間之后的對(duì)中數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修正，鏈條若存在明顯的磨損，還需更換鏈條與鏈輪。

使用振動(dòng)分析儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)另外一臺(tái)狀態(tài)相對(duì)較好的設(shè)備進(jìn)行輸出軸聯(lián)軸器帶載運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，探頭布置如圖3所示，輸出軸軸心軌跡檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，運(yùn)行呈橢圓狀且存在夾角，同時(shí)對(duì)交叉相位檢查結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)相位偏差較大，輸出軸與滾筒軸存在X與Y方向的夾角。

圖3 聯(lián)軸器帶載檢測(cè)布置

圖4 軸心軌跡檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 交叉相位檢查

經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器的痕跡推斷與現(xiàn)場(chǎng)軸心軌跡和交叉相位的狀態(tài)檢測(cè)，找到輸出軸軸承跑外圈的原因。由于輸出軸與輥筒軸的軸線存在不同心且有高低的夾角，在帶載運(yùn)行時(shí)會(huì)有額外的較大徑向力加載在輸出軸上，從而導(dǎo)致軸承運(yùn)行時(shí)有沿著力的方向變形的趨勢(shì)，但箱體軸承座是固定的，從而在某個(gè)方向有額外的力加載。由于此現(xiàn)象不持續(xù)，因此會(huì)導(dǎo)致軸承先發(fā)生蠕動(dòng)腐蝕，發(fā)展到一定程度即是跑外圈，箱體上的金屬部分粘連到軸承外圈上從而形成上述的相關(guān)狀態(tài)。若任由發(fā)展，下一步將是軸承滾動(dòng)體點(diǎn)蝕磨損，保持架變形。由于使用期間檢查及時(shí)，軸承并未發(fā)生破壞性失效。

2 現(xiàn)狀確認(rèn)與解決措施

在對(duì)減速器自身的設(shè)計(jì)、制造與裝配核查無(wú)誤后，首先需用經(jīng)濟(jì)的方法解決箱體軸承孔磨損導(dǎo)致箱體破壞性失效，其次需采用切實(shí)可行的預(yù)防措施來(lái)避免事故再次發(fā)生，提高可靠性。

2.1 有關(guān)箱體的磨損確認(rèn)與再利用設(shè)計(jì)

鑒于輸出軸軸承跑外圈導(dǎo)致箱體軸承座孔磨損嚴(yán)重的現(xiàn)狀，將上下箱體合箱，結(jié)合面螺栓按照額定力矩裝配，將整個(gè)箱體進(jìn)行三坐標(biāo)全面檢測(cè)，確認(rèn)磨損量達(dá)到0.25 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最低下限值，達(dá)到報(bào)廢級(jí)別。

箱體報(bào)廢將導(dǎo)致整個(gè)維修金額極高、維修周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生產(chǎn)可承受范圍。本文利用插值法就軸承座孔與軸承端蓋孔的相對(duì)位置進(jìn)行模擬，對(duì)相關(guān)尺寸檢測(cè)后再次調(diào)整設(shè)計(jì)，利用分箱面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，使用調(diào)整中心高的設(shè)計(jì)，達(dá)到利用報(bào)廢箱體達(dá)到新壽命周期的目的。

首先將上下箱體合箱，螺栓按額定力矩安裝，使用三坐標(biāo)測(cè)量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；其次使用算法調(diào)整上、下箱體的分箱面高度值得到重新加工的數(shù)據(jù)，分箱重新加工箱體分箱面；再次確認(rèn)相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)值，文中的加工數(shù)據(jù)為上箱體加工0.708 5 mm，下箱體加工0.583 1 mm，合箱后螺栓按額定力矩安裝，對(duì)所有軸承座孔全部鏜孔精加工，完成箱體的再生，重要參數(shù)檢測(cè)報(bào)告如表1所示。

表1 部分故障樣本 mm

2.2 預(yù)防軸承再次跑外圈的方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)

首要分析軸承跑外圈的影響因素。摩擦力矩M與軸承外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩Mr之間的匹配關(guān)系是主要研究對(duì)象[3]。軸承的摩擦力矩在轉(zhuǎn)速極低時(shí)較大，這是由于潤(rùn)滑油膜尚未完全建立，同時(shí)軸承的摩擦力矩在高轉(zhuǎn)速時(shí)也較大，造成粘滯損耗的增加，因此反復(fù)啟停或高速的工況，軸承位置跑外圈風(fēng)險(xiǎn)較高。阻止軸承外圈旋轉(zhuǎn)的條件即為外圈鉗制力矩大于軸承的摩擦力矩帶來(lái)的外圈旋轉(zhuǎn)力矩。在大部分的場(chǎng)合，設(shè)備啟動(dòng)初始階段摩擦力矩會(huì)較大，所以工程應(yīng)用需要重視這一點(diǎn)。影響軸承摩擦力矩M的主要因素有軸承類型與尺寸、載荷構(gòu)成與大小、軸承內(nèi)部游隙、潤(rùn)滑介質(zhì)、運(yùn)行精度、運(yùn)行溫度等。在目前的工程應(yīng)用中載荷構(gòu)成與大小亟待研究，但大多沒(méi)有系統(tǒng)性的定性分析說(shuō)明哪些因素是主要的，以及如何有針對(duì)性地提供解決措施。

增加鉗制力矩是最直接的措施，可以通過(guò)增加鉗制表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以增加鉗制力、外圈端面夾持、增加鉗制摩擦系數(shù)等措施以達(dá)到加大鉗制力矩的目的。具體實(shí)施技術(shù)方案如圖6所示，但這些方案實(shí)施會(huì)存在一些問(wèn)題，例如效果不確定、結(jié)構(gòu)需較大的調(diào)整、沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，若軸承設(shè)計(jì)有浮動(dòng)端，比改變將讓浮動(dòng)變得困難。

圖6 通過(guò)改變公差配合、增加接觸面積、斷面夾持來(lái)加大鉗制力

在經(jīng)過(guò)多方論證后，利用此次箱體加工的機(jī)會(huì)，采用增加外圈定位銷的措施，此方案實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，且定位銷的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。定位銷結(jié)構(gòu)為剛性鉗制力及鉗制力矩，改造時(shí)保持原有軸承型號(hào)和接口尺寸，保持既有箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能適應(yīng)頻繁啟停、換向、沖擊和振動(dòng)載荷的應(yīng)用，可靠性高。具體方案為：在箱體重新加工的過(guò)程中，對(duì)軸承座孔、軸承外圈增設(shè)定位銷孔設(shè)計(jì)（利用原標(biāo)準(zhǔn)軸承改制），具體如圖7所示。

圖7 定位銷設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)跟蹤

減速器在實(shí)施改造后到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，對(duì)聯(lián)軸器的安裝實(shí)施精確對(duì)中，并用振動(dòng)分析儀再次檢查運(yùn)行過(guò)程中的對(duì)中狀態(tài)，相位檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，相差20°，振幅檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，相差幾乎為零，和此前有明顯改善，減速器狀態(tài)正常。

圖8 軸心軌跡檢測(cè)

圖9 相位檢測(cè)

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)研究與實(shí)際驗(yàn)證，在運(yùn)輸機(jī)械驅(qū)動(dòng)中，對(duì)于頻繁帶載啟動(dòng)、載荷與加減速度變化較大的工況，若設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不便的狀態(tài)下，減速器軸承存在跑外圈的風(fēng)險(xiǎn)，易導(dǎo)致減速器破壞性失效。本文針對(duì)減速器分箱面的設(shè)計(jì)加以利用，將減速器中心高稍作修正，重新加工所有軸承座孔，讓受損的箱體恢復(fù)使用，在工程應(yīng)用中有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

同時(shí)對(duì)于軸承跑外圈導(dǎo)致破壞性失效提出了設(shè)置定位銷的解決方案并實(shí)施，采取預(yù)防措施避免再次損壞，綜合應(yīng)用在減速器的設(shè)計(jì)上。由于定位銷設(shè)計(jì)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在載荷變化急劇，沖擊頻繁的應(yīng)用工況下，例如破碎機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，可以采取文中所述的措施應(yīng)用于減速器初始設(shè)計(jì)中，具備一定的普適性。