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回转支承断齿分析及解决方案——《工程机械》2014年第九期

发布日期:2015-4-21 浏览次数:1097

回转支承断齿分析及解决方案
     马鞍山统力回转支承有限公司  侯宁 朱良银 胡恒强
徐工机械建设机械分公司   彭方

  一、概况
回转支承断齿问题主要发生在内啮合、硬齿面(齿面硬度≥HRC50)上,比如挖掘机、旋挖钻、履带吊等。而外啮合、软齿面(齿面硬度≤HRC30),断齿现象很少见到。根据笔者对国产挖掘机配套回转支承三十年研究和制造经验,和外资品牌挖掘机回转支承后市场十五年来的不完全统计,不同时期,不同品牌国产挖掘机断齿概率有所不同,约在1%~2%,而后市场回转支承的断齿率却高达5%~6%。特别在某些国产品牌的5吨、7吨、8吨挖掘机上,甚至出现两位数百分比的大面积断齿问题。回转减速机总成的损坏总是与回转支承断齿成正比关系,20吨级挖掘机减速机总成的损坏是回转支承断齿的2倍左右。某三个外资品牌20吨级挖掘机回转支承模数分别为10、12、14,但断齿概率却不相上下,甚至相反关系。
二、挖掘机断齿原因分析
笔者在《回转支承早期断齿分析及解决措施》(《建筑机械》2002年第7期)一文中明确提出,回转支承断齿绝大部分出现在整机出厂早期的一年内,而且是径向倾斜挤压造成的(见图一)。回转支承的齿轮传动与之啮合的小齿轮是“浮动轴传动”,由于回转支承本身存在间隙,在挖掘机工作时,会产生一定的倾翻力矩,小齿轮的中心线就会产生一定角度的倾斜和径向位移,齿轮的中心距和齿侧间隙就会发生变化。

 

  图一  齿轮挤压示意图
回转支承在出厂时是有间隙的,小齿轮安装在上车架,在主机工作时,回转支承的间隙会导致小齿轮有个径向位移量La,在受倾覆力矩M的作用下,小齿轮又会产生一个倾斜角度α。一般情况下,挖掘机用回转支承的出厂间隙<0.20mm,经过一段时间的使用,回转支承的间隙<0.30mm在实际的工作中,滚道会产生一定的弹性变形,在给日立建机配套的一款回转支承,在受载后,滚道和钢球的接触区是面接触(见图二),这么大的接触面积,滚道的单边弹性变形量在0.20mm左右,双边就是0.40mm,仅滚道的变形量就这么大,加上主机的机架变形等等各种因素,联接在挖掘机上车架上的小齿轮的径向偏移量达到1.0mm左右,对应的大小齿轮的挤压量也是1.0mm左右。因与回转支承啮合的小齿轮安装在大臂的相反方向,当两者齿侧间隙过小时,位移尚未完成,小齿轮就压在大齿轮上,这种情况下本应有回转支承滚道承载的载荷却有齿轮承载。大小齿轮反复的挤压们最终导致断齿。结论是回转支承的断齿是由大小齿轮啮合挤压造成。

  图二  受载后钢球和回转支承滚道的接触区
三、解决挖掘机用回转支承断齿过程
回转支承的挤压断齿现象:断齿通常发生在沿齿宽方向的上半部,断裂面与轮齿的上端面相交,并成45°~60°左右的夹角(见图三、四),即使全齿脱落其裂纹也是自上而下扩张所致。齿轮受挤压而产生的塑性变形也相当明显,且上部较下部严重得多,整圈齿槽宽都有不同程度变化,从下至上,从根至顶齿槽宽递增。

    图三  断齿图                               图四 有37°斜角断齿图

  对于挖掘机用回转支承的断齿问题,我们一直在努力的寻找解决办法,具体的方案分以下几个过程:
1、确保大小齿轮啮合的齿侧间隙不小于0.06m(m模数)。对20吨级挖掘机,回转支承的模数是10mm,大小齿轮啮合的齿侧间隙不小于0.6mm。在挖掘机配件后市场,由于客户对于大小齿轮啮合时齿侧间隙不太注重,导致断齿率居高不下,于是我们就宣贯断齿与齿侧间隙的关系,让他们了解齿侧间隙控制不好,回转支承断齿是必然。进过几年的宣贯,挖掘机后市场(配件市场)回转支承的断齿率由以前的6%下降到5%左右。
2、37°斜角齿轮回转支承。将回转支承齿圈非安装面上的齿轮部分由全齿宽改为具有37°的倒角(见图五),回转支承将常发生断裂的部分人为切去,从而在小齿轮发生位移时无法将挤压力集中在齿宽的上部,这样回转支承的齿轮部分不会在使用早期就产生挤压裂纹,可以有效延缓回转支承齿轮早期断齿问题。通过这个改进,经过两年的统计,挖掘机后市场(配件市场)用此回转支承的断齿率由以前的5%下降到4%左右。

图五  37°斜角齿轮式回转支承


3、渐变硬度齿轮回转支承。既然回转支承的断齿是挤压造成的,
如何预防大小齿轮挤压是重点。在齿轮进行感应淬火时,将齿轮加热区段分成正常硬区、过渡区和软区三段(见图六),硬区的硬度为HRC50~56,软区的硬度为钢件基体的调质硬度。这样,大小齿轮啮合产生挤压时,上端面的软区就会产生挤压塑形变形,而不会挤断。经过一年的数据统计,挖掘机后市场(配件市场)用此回转支承没有发生断齿现象,很好的解决了断齿问题。

  图六  渐变硬度齿轮式回转支承
经过实验,当回转支承渐变硬度齿轮在受挤压产生的软齿面变形2mm时(见图七),大小齿轮仍能正常啮合,完好的传动;当软齿面挤压变形达到3mm时(见图八),过渡区及硬齿面区产生断裂现象。

图七 实验中,在齿轮上端面挤压变形2mm时的齿轮情况

图八  实验时齿轮上端面挤压变形3mm时的断齿情况

  以解决断齿的方法是加大大小齿轮的齿侧间隙,但是一味的的加大齿侧间隙,会导致挖掘机铲斗左右摆动量增大,这是任何主机厂和挖掘机客户都不愿意看到的结果。渐变硬度齿式回转支承很好的解决了这一问题,上面已经介绍,经过实验,当小齿轮对大齿轮挤压2mm时,渐变硬度齿能完好的正常工作,挖掘机和旋挖钻在正常工作时,大小齿轮的挤压量是不会超过2mm的,对于大小齿轮啮合时的齿侧间隙可以适当的减小。在回转支承出现断齿的时候,回转减速机构也同样出现损坏的情况,大小齿轮啮合不产生挤压后,回转减速机构的损坏也大大降低。这样,渐变硬度齿式回转支承即解决了断齿问题,又能控制挖掘机和旋挖钻大臂的摆动问题,同时又降低了回转减速机构的损坏,起到一箭三雕又能控制挖掘机和旋挖钻大臂的摆动问题,同时又降低了回转减速机构的损坏,起到一箭三雕的目的。
四、结论
渐变硬度齿式回转支承投放市场有一年多的时间,二千多套产品,至今未出现一套断齿问题。渐变硬度齿式回转支承是对挖掘机、旋挖钻等工程机械断齿问题的一次革命性的突破,彻底的解决了断齿问题。“专业敬业、成就事业”是统力人亘古不变的宗旨。

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