齿条疲劳断裂发生在低速级齿轮付。观察整个齿轮啮合情况(以1997年1月份一次为例),发现啮合齿轮由于接触疲劳失效出现齿条大面积点蚀现象,斑点密集,个别片蚀凹坑宽度为10～15mm。其中间过渡齿轮轴剥落2条(编号为1号、2号),低速轴大齿轮剥落2条(编号为3号、4号)。观察剥落掉的四个齿条断裂情况:其中2、3、4号为深灰色韧性纤维状断口,啮合节圆上有明显压痕,分析为1号齿条先剥落,产生挤压导致2、3、4号齿条被动断裂,断口为超负载运行而引发的疲劳失效断齿的正常断口组织。而1号齿条表面呈浅灰色,平滑有光泽,断齿为穿晶断裂的解理断口,是不正常的脆性断口。对剥落的齿条进行理化分析
1.硬度检查 根据齿条剥落的情况,在齿条的齿顶表面位置和齿条中间芯部位置进行洛氏硬度(HRC)测定。测定结果见表1。
表1 齿条硬度测定结果HRC
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测试位置 |
中间齿轮轴 |
低速级齿轮 | ||
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1号 |
2号 |
3号 |
4号 | |
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齿顶 |
64 |
63 |
58 |
60 |
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芯部 |
30 |
30 |
31 |
31 |
根据结果可知,齿轮轴齿顶表面硬度偏高,低速轴齿轮适中(工艺规范为HRC56～62),内外差异是属于齿表面渗碳淬火处理后的正常情况。
2.化学成分分析 对四个齿条的齿表面及芯部不同位置取样进行化学成分分析。化验结果见表2。
表2 化学成分分析结果 %
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取样位置 |
C |
Mn |
Si |
Cr |
Ti | |
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齿顶部 |
1 |
0.65 |
0.98 |
0.26 |
1.18 |
0.094 |
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2 |
0.64 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.092 | |
|
3 |
0.62 |
0.97 |
0.21 |
1.16 |
0.085 | |
|
4 |
0.62 |
0.95 |
0.24 |
1.09 |
0.082 | |
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齿芯部 |
1 |
0.30 |
0.97 |
0.24 |
1.14 |
0.091 |
|
2 |
0.27 |
0.97 |
0.22 |
1.14 |
0.090 | |
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3 |
0.22 |
0.95 |
0.23 |
1.12 |
0.084 | |
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4 |
0.23 |
0.96 |
0.24 |
1.10 |
0.084 | |
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GB3077-82 |
0.17～0.24 |
0.80～1.10 |
0.20～0.40 |
1.00～1.30 |
0.06～0.12 | |
从化验结果可知,材料芯部成分还是比较均匀的,齿顶部含碳量偏高是由于齿面进行了渗碳处理,不同的是中间齿轮轴渗碳量高了一些。
3.低倍组织检查 由于问题发生在中间齿轮轴上,因此对该轴进行横向切片,做低倍酸洗宏观检查。如图所示,中心疏松区域偏移左方2/3的区域,并微微可见方框形偏析。 而右方偏析状重于左侧,在边沿有三个空洞,可分析为是内夹杂经切削酸洗后留下的痕迹。而左侧五个齿的表面接触状况良好,有轻微的点蚀现象,经过运转跑合后,接触面扩大,接触应力相应降低,点蚀停止发展,是允许的停留性点蚀。而有问题的第八齿(即1号齿条)正好在右侧,这也是反映出作为齿轮轴的材料,在锻打压力加工制造过程中,圆钢中心线偏移或原材料进厂切头不足造成的。
4.金相显微组织检查 仅取1号样做金相组织分析,观察到其氧化物2.5级,硫化物3.0级,有硅酸盐夹杂两处,很显然非金属夹杂物是不合格的(标准规范≤2.5级)。
从以上分析可知,中间齿轮轴(20CrMnTi)材料质量有问题,内部成分不均,加工制造过程及热处理过程不当等综合因素造成显微晶面裂纹。超负载运行时,微观裂纹穿晶扩展,导致宏观裂变,造成齿条断裂。其光亮断口,也可证实这一点。
2.减速机技术性能参数校核
硬齿面减速机多用于轻纺机械加工行业。近年来冶金企业也逐步采用,在原料皮带输送工艺中采用较多,而作为轧钢设备中轧机列的主减速机使用还较少。因此,减速机的承载能力除受机械强度功率和热平衡许用功率两方面的限制外,还必须特别注意轧机运行的恶劣环境。在选用该型式的减速机时,应考虑环境、温度、负载多变等因素的影响。
1.工艺、设备、技术参数
1.1生产工艺负载参数 1号轧机列:为φ318mm闭口式带钢二辊轧机,轧制力P为1000kN;主电机: N为570kW, n为740rpm;轧辊最大直径Dmax为φ340mm,辊宽度B为450mm;产品规格:宽度b为80～186mm,厚度σ为2.0～3.5mm。根据生产工艺流程计算得到轧制力, P理想为856 kN。但是在生产实际中受温度、环境及调整因素诸方面的影响,往往有P实际大于P理想,故以原轧机设计时名义轧制力P (1000kN)为基准。简单计算轧制力矩(Mz)和有效功率(P1)作为进行定性分析的参考数据。
根据: Mz=2PΨ ( Δh·R )1/2〔1〕(1)式中 P ——名义轧制力,1000 kN;Δh ——绝对压下量,6.5 mm;Ψ ——力臂系数,热轧取0.5;R ——轧辊半径,170 mm.得:Mz=33.24(kN·m)。根据:P1=Mz·ω〔1〕 (2)式中 P1 ——有效功率;ω ——轧辊角速度。得:P1=229.9 (kW)。
1.2减速机技术性能参数 主减速机:ZLY450,中心距为765mm、速比为11.2、热平衡许用功率Pc1为226kW、机械强度许用公称功率P0为737kW。
2.2对减速机校核计算
2.2.1机械功率(P2m)校核根据:P2m=P2·KA·KB〔2(3)式中P2——计算功率,即有效功率P1,229.9kW;KA——工况系数,1.5;KB——安全系数,1.5。得:P2m=517.3(kW)。查表知公称输入功率P0为737kW〔2〕,则:P2m＜P0这说明该减速机的机械功率可以满足要求。
2.2.2热功率(P2t)校核根据:P2t=P2·f1·f2·f3(4)式中f1——环境湿度系数,1.35;f2——载荷率系数,0.86;f3——公称功率利用系数,1.5〔1〕。得:P2t=400.4(kW)。查表知热功率Pc1为226kW〔1〕,则:P2m＞Pc1这说明该减速机的热功率不能满足要求。
根据以上简单计算定性分析可知,该型式的减速机热功率不能满足生产实际要求,选用这种型式规格的减速机是不合适的。根据标准规范选用ZLY630方能适应(其Pc1为430kW)。
3措施
根据生产实际情况，采取以下措施：
(1)与生产厂家协商,将中间齿轮轴的材料由20CrMnTi改为20CrMnMo,以提高其综合机械性能,延长寿命。
(2)调整压下量,减轻负载杜绝低温轧制,从而保证不会因轧制力过大,而使减速机热功率值下降。
(3)改善减速机环境条件,采取强制吹风,促使减速机体油温降低等。
(4)细心维护操作,加强点检,保证润滑冷却油量,并及时更换介质,以保证油质性能。
(5)计划增加油路循环设施;外加油箱油泵以流动的油液取代小容量机体油池不动油,进一步降低冷却,上喷油也同时提高润滑能力,改善接触状态。
4结束语
通过分析认为减速机疲劳损坏的原因,一是由于该减速机加工制造过程中出现的质量问题;二是工艺设备选型有误,热功率不能满足生产工艺的要求,造成实际运行过程中负载量大,隐蔽缺陷逐渐暴露出来,导致最终齿轮付接触疲劳损坏,齿条剥落断裂,设备报废。因此，轧机硬齿面减速机的选用必须慎重。
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