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增速机齿轮故障的分析及处理

赵建信/安阳钢铁股份有限公司制氧厂    

摘要:针对PC 450-5 400/3.84型氧透增速机在检修时,发现高速齿轮出现点蚀现象,对其产生的原因进行了分析,得出了此次点蚀掉块主要的原因是高速齿轮材质存在缺陷。并对其进行了修复处理,保证了设备的安全运行。

关键词:增速机;点蚀;修复
中图分类号:TH132.41    文献标志码:B
Analysis of a Fault in Increasing Gear and Processing
Abstract: When repairing the PC450-5400/3.84 type oxygen turbine increasing gear, it ws found that the high speed gear had occurred pitting corrosion phenomenon. Aiming at this problem, this paper had analyzed the reason and obtained that corrosion is mainly caused by the high speed gear material defects. For the purposeof ensuring the safe operating of equipment, the repair and treatment is carriedout.
Key words: increasing gear; pitting corrosion; repair
0 引言
  安钢制氧厂3#23 500m3/h制氧机于2007年3月投产,与空分配套的氧透是由杭氧透平机械厂生产的离心式压缩机(机组布置示意图见图1),压缩机由低压缸2TYS100和高压缸2TYS76两部分组成,8级压缩4次冷却。电动机为上海电机厂生产的YKOS5400-2异步电动机,功率:5 400kW,转速:2 990r/min。电机通过增速机与高、低压缸相联。电机与增速机通过膜片联轴器联接,增速机与高压缸及高、低压缸之间均通过刚性联轴器联接。压缩机与增速机安装在一个公用底座上。PC450-5400/3.84型增速机高、低速齿轮轴布置在同一水平面上,两齿轮为斜齿轮传动,靠大齿轮(低速轴)驱动小齿轮(高速轴)达到增速的目的,其主要技术参数:传动功率:5 400kW;输出转速:11 475r/min;增速比:3.84;旋转性质:单方向旋转。该机组担负着公司供氧的重要任务,它的损坏直接影响到公司的正常生产。

1 故障现象
  2012年2月13日按照计划对3# 23 500m3/h氧透进行检修,打开增速机齿轮箱上盖,盘车检查齿轮时发现高速齿轮一齿面节线附近有两处掉块损伤(如图2),这两处掉块靠近电机侧,呈不规则形状,一处掉块距电机侧齿轮端面45mm,最大尺寸方向大小为20mm×10mm;另一处掉块距电机侧齿轮端面20mm,最大尺寸方向大小为10mm×5mm。同时发现低速转子齿轮每个齿面中间位置附近有个小米粒大小的斑点,这可能是高速齿轮的掉块颗粒崩到此位置,两齿轮啮合运行时挤压颗粒所形成的。

2 原因分析
  齿轮表面发生点蚀和剥落的原因主要是齿轮的接触疲劳强度不足。其破坏过程是:首先在齿面产生微小裂纹,润滑油进入疲劳裂纹,再经过多次反复的啮合作用,使裂纹不断扩展和延伸,润滑油随着裂纹的扩展与延伸不断向裂纹深部充满,直到有一小块金属剥落而离开齿面。这种现象破坏了齿轮的正常啮合性能。造成齿面点蚀的可能原因有:
  1) 材质缺陷。齿轮的材质本身存在缺陷,轮齿表面或内部有裂纹、砂眼等;
  2) 热处理后的轮齿硬度较低,无法保证齿轮应有的接触疲劳强度,不满足使用要求。对齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行校核[1]
  已知:传动功率P=5 400kW,输入转速n1= 2 990r/min,输出转速n2=11 475r/min,冲动比u=1/3.84,低速齿轮Z1=142,高速齿轮Z2=37,齿轮模数m=5,齿宽b=185mm,齿轮螺旋角β=15°,高速齿轮材质为优质合金钢(由文献[1]表10-1查得硬度为300HBS,许用接触强度极限[бH]=1 100MPa,弯曲强度极限[бF]=850MPa,5级精度,使用年限25年。
2.1 齿面接触疲劳强度校核

  1) 计算圆周力Ft
  高速齿轮直径d2=mz2=5×37=185mm
  高速齿轮转矩T=(95.5×105P)/n2=4.494×106N.mm

  圆周力Ft=2T/d2=(2×4.494×106)185=1.14496×104N

  2) 计算载荷系数K=KAKVKHαKHβ

  查文献[1]表10-2,使用系数KA=1.1

  V2=n2πd2/60=(11475×3.14×0.185)60=111m/s

  根据V2=111m/s,5级精度,由文献[1]图10-18查得动载荷系数KV=1.2
  由文献[1]表10-4和10-3查得K=1.330,K=1.0代入, K=KAKVKK=1.1×1.2×1.0×1.330=1.755 6
  3) 由文献[1]图10-26查得εαεα1+εα2=0.81+0.82=1.63
  4) 由文献[1]图10-30和表10-6查得区域系数ZH=2.425,ZE=189.8
  5) 把以上参数代入校核公式

  因已知许用接触强度极限为[δH]=1100MPa,δH≤[δH],故接触疲劳强度满足要求。
2.2 齿根弯曲疲劳强度校核

        

  因已知弯曲强度极限[δF]=850MPa,δF[δF],故弯曲疲劳强度满足要求。
2.3 齿轮接触精度
  齿轮接触精度也是影响点蚀的主要原因,在装配时如果两齿轮轴线平行度不好,使齿轮副的齿面接触迹线偏重一侧,造成局部接触应力过大,局部接触疲劳形成点蚀。
2.4 润滑油不符合要求
  使用的润滑油的牌号不对,油品的粘度较低,润滑性能较差,油质脏也有可能引起点蚀。
  针对以上四种原因进行了讨论分析,这套设备使用的是昆仑32#润滑油,检修时发现油质比较干净,完全符合要求。郑州齿轮研究所和安钢机制公司对齿轮硬度进行了检测未发现问题,齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度校核结果满足使用要求。检查齿轮啮合情况,发现齿轮啮合迹线沿齿宽方向分布均匀,且接触面积大于80%,符合要求;用百分表检查齿侧间隙,测得其值为0.65mm(标准要求:0.42~0.69mm),符合要求。通过以上检查和分析,可以排除润滑油、齿轮硬度和齿轮啮合接触精度引起点蚀的原因,同时可以判定高速轴点蚀是由于齿轮材质缺陷引起的。
  用放大镜观察两点蚀掉块处发现有若干条细微裂纹,用气动锥磨头磨光砂轮在掉块处磨止裂槽时发现有一条裂纹较深,约有1mm,这更加印证了点蚀是由材质缺陷引起的,齿表面或内部有裂纹、砂眼等缺陷,导致接触疲劳强度不足。齿轮啮合时,两齿面之间在接触处产生循环变化的接触应力,在齿轮运行一段时间后,当接触应力超过齿面材料的疲劳极限时,在齿面表层内部就会出现微观的疲劳裂纹,随着这种裂纹蔓延与扩展,齿面金属表层产生片状剥落而形成麻坑,就是点蚀,当点蚀出现后,齿面接触面积迅速减少,并使接触应力急剧扩大,不仅加剧齿面的疲劳破坏,最终导致齿面剥落掉块。
3 处理措施
  经安钢设备处、安钢设计院和郑州齿轮研究所专家到现场查看分析,制定出相应的修复方案,修复过程如下:
  1) 用气动锥磨头磨光砂轮把两掉块处周围的锐角磨掉,修成圆角,磨出止裂槽,磨到放大镜看不到裂纹为止,并在掉块处磨出泄油槽,防止在掉块处形成封闭的存油区域。修磨的时候用薄不锈钢皮折成轮齿形状罩住相邻轮齿以防被磨伤,修磨完后用三氯乙烯清洗干净并用金相砂纸打磨光。
  2) 把高速轴拉到郑州齿轮研究所做动平衡检查,处理后动平衡结果为0.4mg×cm,标准要求小于4.6mg×cm,满足动平衡要求。
  3) 进行以上处理后对齿轮做探伤检查,用磁粉探伤法对点蚀掉块周围进行检查,未发现问题。
  4) 大齿轮齿面中间斑点,高出的硬点用条状小油石和金相砂纸磨掉。
  做以上处理后回装高速轴,并再次做齿轮接触精度检查,齿轮接触痕迹沿齿宽方向分布均匀,且接触面积大于80%,满足要求。
4 试车情况
  回装完成后,3月7日氮气试车,振动参数与检修前对比见表3,可以看出检修前后振动基本没变化,在允许范围内。运行8h后停车检查,打开增速机窥视孔,检查高速轴点蚀处未再扩展延伸。接着开车运行,运转平稳,运行两周后停车再次检查高速轴齿轮,点蚀处没有发现扩展延伸的迹象,说明修复后的转子能够满足使用要求。


5  结论
  通过修磨、做动平衡、探伤等对高速齿轮进行修复,降低了设备采购成本,最大限度地降低了设备故障造成的损失。机械设备修复是当前机械加工行业重点研究领域之一,此次齿轮点蚀修复为同类现象的处理提供了借鉴。这套设备运行中应加强检测,如发现齿轮点蚀扩展延伸等异常情况应立即停车,必要时更换高速轴,防止对设备造成更大伤害事故。

                 参 考 文 献

[1] 濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)[M].北京.高等教育出版社,2006,5.