曳引式電梯蝸輪輪齒失效原因分析及預(yù)防措施

鄧石唐

（河源市特種設(shè)備協(xié)會(huì)，廣東河源 517000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電梯作為一種垂直的交通運(yùn)輸工具，與人們?nèi)粘Ｉ畹穆?lián)系越來越緊密，同時(shí)電梯的運(yùn)行安全也備受關(guān)注。曳引機(jī)作為電梯重要的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件，其安全性能將嚴(yán)重影響電梯的安全運(yùn)行。

根據(jù)減速箱是否有齒輪，電梯可分為有齒輪曳引機(jī)和無齒輪曳引機(jī)兩大類，其中有齒輪曳引機(jī)的主傳動(dòng)類型又可以分為蝸輪蝸桿式、行星齒輪式以及斜齒輪式3 種傳動(dòng)方式。蝸輪蝸桿式有齒輪曳引機(jī)良好的傳動(dòng)特性主要有3 個(gè)：

（1）比較大、結(jié)構(gòu)非常緊湊。

（2）蝸桿和蝸輪輪齒的嚙合是連續(xù)的，并且嚙合的齒對(duì)數(shù)較多，因此其傳動(dòng)比較平穩(wěn)，噪聲也比較低。

（3）自鎖性能良好。即當(dāng)蝸桿的螺旋角小于齒輪間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)就會(huì)啟動(dòng)自鎖，也就是說只有蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪是不可以帶動(dòng)蝸桿的。

因此蝸輪蝸桿式有齒輪曳引機(jī)在電梯中得到廣泛應(yīng)用，蝸輪蝸桿傳動(dòng)也是目前國內(nèi)有齒輪曳引機(jī)使用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的一種。

近年來電梯沖頂?shù)仁鹿蕰r(shí)有發(fā)生，其中因電梯蝸輪蝸桿輪齒失效引發(fā)的電梯安全事故或故障也有多起，如電梯沖頂、運(yùn)行不平穩(wěn)、運(yùn)行抖動(dòng)異常等。因此，開展電梯蝸輪蝸桿輪齒失效的原因分析以及相應(yīng)的預(yù)防措施顯得尤為必要。

1 電梯蝸輪蝸桿輪齒失效原因分析

1.1 輪齒磨損失效

輪齒磨損是電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)中最常見的一種形式，磨損原因主要有：

（1）由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，蝸桿的強(qiáng)度高于蝸齒，因此失效往往發(fā)生在蝸輪輪齒。目前蝸輪一般采用錫青銅材料制造，而蝸桿則采用45#淬鋼（硬度至45～55 HRC）或40Cr 淬鋼（硬度至50～55 HRC），蝸桿的硬度明顯高于蝸輪，因此在蝸輪蝸桿在傳動(dòng)嚙合過程中蝸輪輪齒容易先出現(xiàn)磨損。

（2）傳動(dòng)中使用的潤滑油雜質(zhì)過多且量少，潤滑油牌號(hào)不符合潤滑要求，未使用電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)專用的潤滑油等，都會(huì)導(dǎo)致在輪齒表面難以形成油膜的保護(hù)，進(jìn)而加劇輪齒的磨損。

（3）電梯安裝時(shí)電梯蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)裝配精度不夠，輪齒接觸面不均勻或接觸面較少，加上電梯如果長時(shí)間使用、經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等，導(dǎo)致蝸輪韌性下降，加劇了蝸輪輪齒的磨損，最終導(dǎo)致輪齒磨損失效（圖1）。

圖1 電梯蝸輪輪齒磨損

1.2 輪齒折斷失效

在電梯蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)，蝸輪輪齒折斷也是較常見的失效形式，一般可分為疲勞折斷和過載折斷（圖2）。

圖2 輪齒疲勞折斷

（1）出現(xiàn)疲勞折斷的主要原因?yàn)椋娞蓍L時(shí)間使用，輪齒長期處于較大的變載荷作用下，蝸輪輪齒根部因長期經(jīng)受交變彎曲應(yīng)力的作用，當(dāng)蝸輪輪齒根部承受的應(yīng)力超過輪齒材料本身的最大承受耐久極限，在輪齒根部易出現(xiàn)裂紋。隨著電梯的繼續(xù)荷載使用，蝸輪輪齒不斷承受交變應(yīng)力作用，輪齒根部裂紋不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致輪齒局部或整個(gè)折斷。

（2）出現(xiàn)過載折斷的主要原因有：電梯蝸輪輪齒傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，輪齒材料選用錯(cuò)誤及熱處理工藝不符合要求，導(dǎo)致電梯蝸輪輪齒在偶然承受電梯載貨峰值的沖擊過程中，輪齒承受的載貨超過了輪齒本身彎曲強(qiáng)度，因此容易導(dǎo)致輪齒過載折斷；如果安裝精度不夠、蝸輪輪齒嚙合面接觸不均或接觸面積小、裝配的側(cè)齒之間的間隙不當(dāng)以及安裝的剛度和位置不對(duì)等原因，也會(huì)導(dǎo)致輪齒的受力接觸面偏向一端，當(dāng)蝸輪輪齒受到集中載荷作用時(shí)，易導(dǎo)致輪齒沿受力接觸面偏向的那一端發(fā)生局部輪齒折斷。

1.3 輪齒齒面點(diǎn)蝕失效

輪齒表面點(diǎn)蝕也是蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)較為典型的一種失效，出現(xiàn)點(diǎn)蝕的原因主要有3 個(gè)（圖3）：

圖3 蝸輪輪齒表面點(diǎn)蝕

（1）輪齒材料和硬度不符合要求。輪齒選用的材料以及經(jīng)熱處理工藝后，材料的硬度達(dá)不到使用要求，導(dǎo)致蝸輪輪齒表面的所能承受的疲勞接觸應(yīng)力強(qiáng)度降低，因此在電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)高強(qiáng)度高負(fù)荷工作中比較容易出現(xiàn)因承受的疲勞強(qiáng)度不足而出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕。

（2）蝸輪蝸桿輪齒安裝裝配精度不夠。蝸輪輪齒安裝精度達(dá)不到正常使用要求，如輪齒之間安裝間隙誤差大、嚙合精度以及輪齒運(yùn)動(dòng)精度誤差大等，這些因素會(huì)導(dǎo)致電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)過程中容易出現(xiàn)因輪齒接觸不均或過度接觸，輪齒表面應(yīng)力集中或應(yīng)力分布不均而出現(xiàn)輪齒表面點(diǎn)蝕。

（3）潤滑油使用不當(dāng)。在電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)中，潤滑油發(fā)揮著重要的作用，一旦潤滑油使用不當(dāng)，如潤滑油牌號(hào)錯(cuò)誤，潤滑油的油品黏度降低，在輪齒表面不易形成有效的保護(hù)黏膜，潤滑性能降低；此外潤滑油油位過高，在使用過程中，當(dāng)潤滑油溫度過高，會(huì)降低潤滑油的黏性，也會(huì)降低潤滑油的潤滑性能，導(dǎo)致輪齒表面的保護(hù)油膜厚度減小，最終出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕。

1.4 輪齒齒面膠合失效

輪齒齒面膠合也是電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)常見的一種失效形式（圖4）。

圖4 輪齒齒面膠合

導(dǎo)致蝸輪輪齒表面出現(xiàn)膠合的原因主要是，當(dāng)電梯高速重載，蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的潤滑油油溫快速上升，如果蝸輪蝸桿式曳引主機(jī)散熱功能較差，潤滑油的油溫會(huì)持續(xù)上升、黏度下降，蝸輪輪齒表面保護(hù)油膜會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，這樣在電梯蝸輪蝸桿嚙合的傳動(dòng)過程中，兩輪齒接直接金屬觸面會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，硬度較低的輪齒表面會(huì)熔焊在另一個(gè)輪齒表面上，再加上兩齒面?zhèn)鲃?dòng)過程中的相對(duì)滑動(dòng)，在較軟的蝸輪輪齒表面上形成與滑動(dòng)方向一致的撕裂溝痕，形成膠合。

2 防范措施

為降低電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)中輪齒發(fā)生以上失效概率，切實(shí)消除安全隱患發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了以下4 種防范措施。

（1）輪齒材料以及熱處理工藝要符合使用要求。選擇合適的輪齒材料并進(jìn)行恰當(dāng)熱處理，使其強(qiáng)度和硬度能夠滿足電梯各種工況載荷下的運(yùn)行要求，這樣可以大大降低輪齒磨損、折斷的風(fēng)險(xiǎn)，延長電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

（2）使用電梯蝸輪蝸桿指定的專用潤滑油。不同型號(hào)規(guī)格電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)適用于不同的電梯載荷工況，使用的潤滑油牌號(hào)也有區(qū)別，只有使用指定牌號(hào)的專用潤滑油才能滿足蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑油的黏度和潤滑性能要求，在輪齒表面形成良好的保護(hù)油膜，有效降低輪齒表面磨損、點(diǎn)蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）安裝精度符合使用要求。電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于安裝精度有比較嚴(yán)格的要求，在安裝過程中如果出現(xiàn)安裝精度不夠，如間隙過大或過小、安裝位置不準(zhǔn)確等，則會(huì)導(dǎo)致輪齒嚙合精度不符合要求，電梯在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)異常抖動(dòng)或異響、運(yùn)行不平穩(wěn)，加大輪齒表面發(fā)生磨損、膠合失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，只有保障電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝精度，才能提高輪齒的使用壽命，保障電梯安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)。日常維護(hù)保養(yǎng)可以提取發(fā)現(xiàn)很多潛在的安全隱患，這對(duì)于提高蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命具有重要作用。在日常維護(hù)保養(yǎng)過程中，如果發(fā)現(xiàn)潤滑油油位過高、油溫升過快，應(yīng)通過調(diào)節(jié)油位和溫升將有效降低輪齒表面膠合失效的風(fēng)險(xiǎn)；如果潤滑油油位過低或潤滑油雜質(zhì)過多、黏度下降等，通過添加同牌號(hào)的潤滑油或更換新的潤滑油，也將有效降低蝸輪輪齒表面磨損和點(diǎn)蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)束語

本文分析了電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)輪齒磨損、折斷、點(diǎn)蝕、膠合4 種典型的失效形式及出現(xiàn)原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以降低傳動(dòng)輪齒失效的概率，提高電梯蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，對(duì)于保障電梯的安全平穩(wěn)運(yùn)行、降低電梯事故發(fā)生概率具有重要意義。