（北京电力设备总厂有限公司）
摘要： 通过对多台KV3650型减速机的解体检查，依据齿轮强度、滚动轴承寿命和平面滑动轴承性能计算方法，深入研究分析了齿轮、滚动轴承和平面滑动轴承设计上的安全性、寿命和性能等问题，并结合实例深入分析说明了齿轮、轴承等重要零件损坏的原因，指出了减速机的设计特点和不足；提出了延长减速机齿轮和轴承寿命的办法。
关键词：减速机；齿轮；轴承；强度；寿命
引言
神华国能集团有限公司神头第二发电厂于1993年建成投产了2台捷克产500MW机组[1]，其锅炉系统安装了12台德国BOBCOCK公司的MPS245型磨煤机。磨机采用KV3650型三级齿轮传动减速机进行驱动，累计运行时间7.9~15.9万小时，发现内部异常[2]。从2012年4月至2016年9月，已有多台减速机陆续运到我公司进行解体检修。总的看来，润滑油污染严重并伴有水分造成内部零件锈蚀；多数齿轮存在点蚀和局部断齿；滚动轴承套圈存在点蚀和开裂；滑动推力轴承瓦块存严重磨损和深沟型划痕。虽然减速机运行时间较久，但并不是必然损坏的主要原因，为此有必要从设计和使用方法上进行一下技术分析，以便更好使用减速机，延长其使用寿命。本文对于其它形式的磨机减速机使用维护也有借鉴作用。
1、基本数据[3]
磨煤机垂直额定静载荷1550 ，最大动载荷4650 。电动机额定功率795，减速机额定功率691。减速机输入转速990， 输出转速23.2，重量46。滑动推力轴承油温报警值60℃，停机值70℃。润滑站额定流量365，过滤器过滤精度0.025。润滑油牌号： 闭式工业齿轮油。减速机装配图见图1。
1锥轴承01,2圆柱轴承02，3锥齿轮轴z1，4上箱体，5圆柱齿轮z3，6四点球轴承31，7圆柱滚子轴承32，8圆柱齿轮z4，9圆柱滚子轴承52，10四点球轴承51，11输出传动法兰，12双列球面滚子轴承07，13推力盘，14半球，15推力瓦，16圆柱滚子轴承08，17圆柱齿轮z6，18圆柱滚子轴承，19圆柱齿轮z5，20锥齿轮z2，21圆柱滚子轴承04，22下箱体。
2、设计分析
2.1基本参数分析
通过检修得知：减速机输入级采用的是一对德国克林贝尔格公司延伸外摆线等高齿弧齿锥齿轮。材料,齿面经渗碳处理后加工而成，硬度，精度为DIN3965-6级。中间级和输出级均为斜齿圆柱齿轮传动。小齿轮均为渗碳淬火磨齿齿轮，材料和齿面硬度同圆锥齿轮；大齿轮均为焊接结构，轮缘材料 进行调制处理，硬度。小齿轮精度不低于DIN3962-6级，大齿轮为DIN3962-7级。
为了确定齿轮的主要数据，我们用AMK855型弧齿锥齿轮加工机床确定了锥齿轮的中点螺旋角；从箱体上测出了两级斜齿圆柱齿轮的中心距；从齿轮零件上测定了齿数和模数，通过计算确定了齿轮的分度圆螺旋角。整理后的齿轮参数见表1。
2.2齿轮强度分析[4]、[5]
按上述参数，依据德国克林贝尔格公司圆锥齿轮强度计算标准KN3030，和我国斜齿圆柱齿轮强度计算标准GB3480.1，对各级齿轮强度进行了计算，结果见表2。
表中齿轮强度是按额定功率和工况系数 计算的。齿轮材料强度极限按GB3480.5。由于圆锥齿轮节圆线速度 ，所以计算了齿轮的胶合安全系数。
在克林贝尔格弧齿锥齿轮强度计算中，接触疲劳强度安全系数许用值推荐 ，弯曲疲劳强度安全系数许用值推荐 ，齿面胶合强度安全系数许用值推荐 。计算结果说明锥齿轮齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度是有较大安全性的，但齿面胶合强度偏低。虽然胶合强度计算结果小于许用值，但并未发生齿面胶合现象，这可能是减速机实际使用功率较小的缘故。
用圆锥齿轮的许用安全系数衡量斜齿圆柱齿轮也可以看出：中间级和输出级齿轮齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度也较高。从结构上看中间级斜齿圆柱齿轮螺旋角较大，一般斜齿圆柱齿轮的螺旋角，在设计上为了避免较大的轴向力通常为 ，最好为 [6]。由于大圆锥齿轮和中间级斜齿圆柱齿轮安装在同一根轴上，根据螺旋锥齿轮和斜齿圆柱齿轮的旋向和转向，可以推断出斜齿圆柱齿轮的轴向力与大圆锥齿轮的轴向力有相互抵消作用，对提高轴承寿命有利。
2.3、滚动轴承寿命分析[7]
根据减速机轴承的布置对轴承寿命进行了计算。基本额定寿命按，修正额定寿命按 。，。取可靠系数 ，由输入轴至输出轴工作油温 ，污染系数 （重度污染），计算结果见表3。
从计算结果可以看出，轴承基本额定寿命大多数可以达到10万小时，这与减速机设计年代相适应。但按现代轴承寿命理论计算的轴承修正额定寿命，有的较短，有的超长，这主要取决于修正系数 。而修正系数 取决于润滑油的粘度比 和综合系数，详见参考文献[7]。
以上结果是按减速机额定功率计算的，如果减速机实际运行功率 小于额定功率，上述寿命结果可以乘以进行修正。
表中轴承静载安全系数是磨机发生最大冲击载荷时的计算结果。最大冲击载荷是指磨辊碾磨到铁块时的情况。
2.4滑动推力轴承性能分析
实测推力瓦数12件，瓦面宽360mm、扇形 、长径比为1，中径1750mm。根据磨煤机载荷和瓦的全部工作面积计算，瓦面平均压强在静载荷下是1MPa，动载荷下是0.33MPa，简要性能计算结果见表4。
一般大型滑动推力轴承的最小油膜厚度推荐值是0.05mm，计算结果远远大于这个数值，反应了轴承设计对制造误差和润滑油污染问题的考虑；一般推力瓦设计温升5~10℃，结果符合要求。这两个数据充分说明了设计者对轴承安全性和寿命的考虑。
2.4箱体结构分析
从减速机所处环境和所受来自磨机的垂直静、动载荷来看，减速机箱体设计仅考虑了其中两个因素的影响，但还很不完善。
磨机载荷通过滑动推力轴承的12件推力瓦半球支点作用在减速机箱体上，并形成一个由12个点组成的支撑圆。由于箱体不是圆形的，推力瓦支撑圆直径又大于输出级大齿轮直径，箱体上力的作用线不与下箱体壳体重合，造成减速机箱体刚度必须进行特殊考虑。为了保证箱体刚度，上箱体采用了130厚的热轧钢板，下箱体由于采用的是铸件，在受力区附近设置了大量的竖筋，对箱体进行加强。
实际减速机上表面紧邻磨机热一次风室，工作中有大量的辐射热传递给减速机上表面，减速机下箱安装在地面钢制台板上，相对温度较低，这就造成了减速机上下表面热膨胀不一致。在这方面减速机设计并未考虑如何减少对齿轮啮合的影响问题。
为了减少粉尘对减速机的影响，减速机推力瓦油室壳体与输出传动法兰之间采用了迷宫式密封结构。刚装好的减速机在迷宫槽内涂以润滑脂进行密封，长期使用后润滑脂已经被煤粉污染或者已经干涸，密封效果变差，造成润滑油严重污染，润滑性能大大下降，严重影响内部零件使用寿命。
3、实物问题分析
检修中发现了大量齿轮损坏和轴承损坏现象，分析如下。
3.1锥齿轮问题分析
照片1（左）显示了大锥齿轮的断齿现象。照片上有一轮齿偏小端局部断齿，并伴有锈迹，说明断齿的时间较早。因为仅有一个断齿看，所以主要是材料局部质量问题造成的。
3.2圆柱齿轮问题分析
照片1（中-中间级；右-输出级）显示了两级斜齿圆柱齿轮的齿面点蚀破坏现象，全部发生于大齿轮轮齿下侧，而小齿轮基本完好。左下为中间级大齿轮齿面点蚀情况；右下为输出级大齿轮
齿面点蚀情况。
发生点蚀的原因主要为齿轮啮合偏载，造成了齿面局部压应力
超过材料疲劳强度极限所致。压应力首先使齿面产生微裂纹，然后在轮齿反复啮合情况下，润滑油反复挤入裂纹内部形成高压油，又进一步造成裂纹扩展蔓延，如此循环变化，最终使金属表层一小块一小块脱落下来形成点蚀。通常齿轮啮合偏载的原因可能是齿轮螺旋角误差较大或箱体轴孔平行度误差较大；对于本减速机，上下箱体表面热膨胀不一致，导致齿轮轴线歪斜，也有可能是造成齿轮偏载的重要因素；润滑油太脏不能形成有效油膜也助推了点蚀的形成。
3.3大齿轮轮缘开裂分析
检修中发现一台减速机中间级焊接大齿轮不仅轮辐与轮缘焊缝开裂、而且轮缘本身也发生了开裂，裂纹一直延伸至轮齿根部，这种现象很少见，见照片2。从检查结果看，两侧轮辐仅一侧出现裂纹。说明裂纹是由单侧焊接质量引起的。齿轮轮毂和辐板材料均为RSt37-2（DIN标），轮缘与辐板为合金钢与普通碳素钢焊接。齿轮焊缝结构见图2。
从设计和工艺上看，大齿轮焊接容易产生两种情况的裂纹。其一、大齿轮制造工艺路线是“毛坯制造-轮缘调质处理-预热焊接-消除焊接应力-加工齿坯-制齿”。由于轮缘材料的淬透性问题，要想保证最终齿面硬度，就要适当提高齿轮毛坯调质后的表面硬度，于是轮缘在较高的硬度下与辐板的进行焊接，这对于合金钢来说，焊接过程非常容易产生淬火裂纹；其次、由于轮缘与辐板材料不一致，焊前要进行预热，焊后冷却，由于两者壁厚相差较大，冷却速度不一致，所以在焊缝处容易产生拉应力，造成裂纹。
这种裂纹一般通过对焊缝表面进行着色探伤检查来发现，但是由于焊缝内侧不能焊接，也不能探伤，如果裂纹产生在内侧，就不容易被发现，最终造成焊缝开裂。
基于上述原因，初始裂纹在制造中就可能已经形成，在齿轮啮合力的作用下，首先轮缘与辐板发生开焊，然后焊缝裂纹逐渐扩展，辐板对轮缘的支撑作用逐渐丧失，在轮缘内侧圆
3.4轴承套圈损坏分析
检修中发现滚动轴承套圈既有点蚀，也有开裂，见照片3。有些轴承套圈的点蚀是布满套圈表面，这种点蚀基本上属于超过使用寿命的点蚀；另一种是套圈开裂。由于套圈无明显点蚀，而粘有很厚的一层油泥，说明润滑油太脏造成轴承内部摩擦生热加剧，轴承长期在高负荷和较高温度下运行，套圈材料强度下降，最终因热疲劳发生了开裂。
3.5推力瓦损伤分析
推力瓦的设计安全余量很大，但存在严重磨损和划痕，见照片5。磨损区域靠近瓦的两侧和瓦的支点附近。瓦两侧区域的磨损是推力盘和推力瓦的平面度误差较大造成的；支点附近的磨损，是由于瓦的变形引起的；划痕则是由于润滑油中混入了较大的机械杂质，在推力盘旋转作用下与润滑油一起被带进到了推力盘和推力瓦表面之间，由于瓦面较软，所以瓦面被刻出环形沟痕。
4、解决办法
对于齿轮局部断齿，焊接齿轮焊缝开裂和轮缘开裂，应加强制造检验控制，避免误判；对于大齿轮点蚀，可以从上下箱体温差引起的热变形量入手，对齿轮进行有目的的修形，解决篇在问题；对于滚动轴承点蚀和开裂，推力瓦磨损和划痕，应定期检查润滑油的清洁度，及时换油；为了延长推力瓦的寿命，还要加强推力轴承的制造精度。
5、结论
1）理论计算说明：齿轮、滚动轴承和滑动轴承设计安全余量和寿命是较高的；
2）滚动轴承的寿命计算没有考虑润滑油污染对轴承寿命的影响；
3）大锥齿轮局部断齿是由于材料局部缺陷造成的，属于个例；
4）箱体热上下热变形不一致，可能是造成两级大齿轮偏载，产生严重点蚀的原因之一；
5）焊接质量是引起焊接齿轮辐板与轮缘开焊和轮缘开裂的主要原因；
6）滚动轴承套圈大面积点蚀是寿命所限，开裂与润滑油太脏导致发热有关；
7）推力瓦的磨损和划痕主要是由于推力轴承制造误差和润滑油中含有大颗粒杂质所致；
8）减速机应严格按照规程进行维护和使用才能延长齿轮和轴承的寿命。
参考文献：
[1] 电力工业部西安热工研究,山西神头第二发电厂No1炉磨煤机性能试验报告[R],1995。
[2] 神华国能集团有限公司神头第二发电厂，神华国能集团有限公司神头第二发电厂#22、#25、#42、#45磨煤机减速机检修招标文件[R]，2016.6。
[3] 北京电力设备总厂有限公司，KV3650型减速机解体检查报告[R]，2016.10。
[4]《GB3480.5-2008直齿轮和斜齿轮承载能力计算第5部分，材料的强度和质量》[S],中国国家标准化管理委员会发布，2009.6。
[5] Klingelnberg Works Standards KN3030[S]，edition No2， 1975。
[6] 徐灏主编，机械设计手册[M]第3卷，北京，机械工业出版社，1995.12。
[7] Schaeffler Technologies GmbH & Co.KG，FAG Rolling Bearings[M]，2010.2。
作者简介：
刘文渊，男，1985年9月30日出生，汉族；籍贯：北京市。大学毕业，学士学位。现为北京电力设备总厂有限公司重型减速机厂助理工程师，主要从事磨煤机减速机制造和检修技术工作。
论文作者:刘文渊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/3
标签：齿轮论文; 轴承论文; 减速机论文; 推力论文; 轮缘论文; 箱体论文; 强度论文; 《电力设备》2017年第7期论文;