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回转支承早期断齿分析及解决措施

发布时间:2014-8-18 10:59:19                  点击次数:2185 次

回转支承早期断齿分析及解决措施
《建筑机械》2002年第七期

   造成挖掘机用回转支承早期失效的主要原因有二条:一是断齿;二是滚道破坏。其中,断齿是主要原因,占90%以上,且绝大多数发生在挖掘机出厂后六个月以内。这不但严重困扰着回转支承制造厂产品质量信誉,同时也对主机厂产品市场造成不利影响,因此认真解决好这一问题是回转支承制造厂和主机厂的共同的目标和责任,也是双方进一步合作共同发展的根本保证。 
  因断齿而使回转支承早期失效的根本原因是什么呢?设计问题;制造问题,材质问题;装配问题还是使用问题。透过下列现象不难发现问题的本质之所在:
  ① 在过去的十二年里,马鞍山回转支承厂共为各类主机配套回转支承二万余套,除挖掘机行业外,仅有一起回转支承断齿记录,而且是发生在晚期。当然,挖掘机的工况较塔吊、汽车吊等其它大部分使用回转支承的行业的主机工况要恶劣,回转速度较快,冲击负荷也较大,断齿的可能性相应地也大些,这也是不争的事实。因此,挖掘机用回转支承的模数较同一滚道直径的其它行业主机用回转支承要大一档,而且是硬齿面(一般在47HRC~58HRC之间选取不同的硬度段),基本满足了挖掘机对回转支承齿轮的要求。虽然统计资料表明挖掘机用回转支承早期断齿的概率大于其它主机,但也仅限于极少的二、三种挖掘机上,大部分机种极少有回转支承早期断齿事故发生。
  ② 从我们掌握的资料分析,国内外绝大多数20~22吨级的挖掘机使用的回转支承齿轮模数都为10mm(或径节=2.5),热处理和精度等级基本一致,国产挖掘机一般采用标准齿高和标准压力角。回转支承齿轮周向许用力P可按下式计算:
  P=Kz*m*b/78 (吨)
  式中 Kz=(z/150)^(±0.09)外齿取+;内齿取-
  z-齿数m-模数mmb-齿宽mm
 若设齿宽b=80;齿数z=90~110;且为内啮合,则齿轮周向许用力为:
  p=(90~110/150)^(-0.09)*10*80/78
   =10.74~10.55(吨)
  可见齿轮的周向许用力能够满足该吨级的挖掘机对回转支承齿轮负荷要求,但在该级别中个别机型出现的回转支承早期断齿率却高达2%,其它绝大部分机型无此现象发生。
  ③ 通过对多起早期断齿实物的分析研究发现,大部分断齿发生在沿齿宽方向的上半部,一半以上的断裂面与轮齿的上端面相交,并成45°~60°左右的夹角,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。 
  我们是否可以认为:造成挖掘机回转支承早期断齿的作用力并非是周向回转驱动力,而是与之啮合的小齿轮对其施加的径向挤压力,且挤压时小齿轮的轴线与回转支承齿轮轴线不平行。该力产生于挖掘过程中地面对斗的反作用力,由于回转支承有间隙的原故,与回转支承内外圈分别联接的上下两部分在倾覆力矩的作用下,将发生在回转支承通过大臂的轴向剖面上的相对倾斜,同时产生沿回转支承径向与大臂反方向的相对位移,位移量与回转支承径向间隙相当。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,小齿轮便压上大齿轮,这种情况下本应由回转支承滚道承担的负荷却由齿轮担当了,由于小齿轮是悬臂安装原本倾斜的轴线在挤压力的反作用下进一步加剧,致使作用在大齿轮上的挤压力集中在齿宽的上部。开始齿轮由塑性变形来补偿齿侧间隙的不足,随着回转支承滚道的进一步磨合,其径向间隙渐渐加大,而变形量却是有限的。通过受力分析可以看到:小齿轮对大齿轮的挤压力是地面对斗的反作用力的几倍甚至十几倍,并且作用在齿廓上的力将被再一次放大,压力角越小放大系数越大。这一经过两次放大的力足以造成大小齿轮断齿。以上分析的结论与第③条现象是吻合的。
  因此,笔者认为:回转支承早期断齿的根本原因是与小齿轮的配合侧隙过小。建议侧隙值不小于回转支承径向间隙的1.25倍。值得参改的是,我厂近期为加拿大制造的四种型号的挖掘机用回转支承的齿轮压力角分别为25°和27°,国内合资厂也有采用。这对提高齿轮抗径向挤压能力是有效的。
  当然,诸如回转支承材质缺陷;齿淬后残余内应力较大、内部有裂纹;因回转支承滚道失效回转卡滞;挖掘机违章操作等也可导致回转支承齿轮早期失效,但应该分布面较广且离散。
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