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回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸分析與對(duì)策

發(fā)布時(shí)間：2017-06-28 23:52:00 點(diǎn)擊：

    泰興減速機(jī)：通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算、分析，找出事故真正原因在于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并針對(duì)性提出改進(jìn)對(duì)策，避免同類事故再次發(fā)生，確保生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

    前言
           活性石灰是煉鋼的重要造渣材料，它是一種性能活潑、反應(yīng)能力強(qiáng)、含硫低的軟燒石灰，同時(shí)活性石灰也是燒結(jié)的重要熔劑之一。我公司在總體布置中設(shè)置４條規(guī)格為Φ４．０ｍ×６０ｍ的回轉(zhuǎn)窯，其中一期兩條已于２００７年初建成投用，所生產(chǎn)的活性石灰＞５ｍｍ的活性石灰供轉(zhuǎn)爐煉鋼的需要，而＜３．０ｍｍ的活性石灰供燒結(jié)用。

    回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)由筒體１、支撐裝置２、１３、傳動(dòng)裝置３、５、（１０、９、８、７）、６、４、１１、１２窯尾及窯頭密封、窯頭罩組成。其主要特點(diǎn)：
    ①采用與規(guī)模相適應(yīng)的、直徑和長(zhǎng)度適宜的窯型；
    ②主傳動(dòng)采用調(diào)速電機(jī)，并設(shè)有輔助電機(jī)，工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活；
    ③窯頭、窯尾設(shè)有密封結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠，密封效果好。
     
           回轉(zhuǎn)窯在使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)諸如耐材脫落、托輥軸承發(fā)熱等不少設(shè)備故障、事故，較為典型的設(shè)備事故為１號(hào)回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸，對(duì)生產(chǎn)的影響最為嚴(yán)重。１號(hào)回轉(zhuǎn)窯自２００７年初投產(chǎn)以來(lái)，至２０１１年１２月發(fā)現(xiàn)電機(jī)、減速機(jī)異音且振動(dòng)加劇，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)減速機(jī)高速齒輪軸齒輪已出現(xiàn)斷齒，在計(jì)劃停機(jī)處理采用輔助傳動(dòng)涼窯過(guò)程中出現(xiàn)斷軸事故。如何查找事故原因、制定相應(yīng)對(duì)策、避免同類事故再次發(fā)生、確保生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行成為當(dāng)務(wù)之急。以下針對(duì)本次斷齒、斷軸事故進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的分析，以尋求相應(yīng)解決辦法。

    ２、相關(guān)參數(shù)及斷齒、斷軸概況
    ２．１　電機(jī)相關(guān)參數(shù)
    主電機(jī)：型號(hào)ＹＳＮＰ３５５Ｍ２－６
    額定功率１６０ｋＷ
    轉(zhuǎn)速９８０ｒ／ｍｉｎ
    輔助傳動(dòng)電機(jī)：型號(hào)Ｙ１８０Ｍ－４
    額定功率１８．５ｋＷ
    轉(zhuǎn)速１４７０ｒ／ｍｉｎ

    ２．２　減速機(jī)相關(guān)參數(shù)
    主減速機(jī)：型號(hào)ＹＮＳ１２４０－８０ⅥＢＤ－Ｌ
    中心距１２４０ｍｍ
    速比８０
    輔減速機(jī)：型號(hào)ＹＮＳ３９５－２８－Ｉ－Ｌ
    中心距３９５ｍｍ
    速比２８

    ２．３　主減速機(jī)高速齒輪軸相關(guān)參數(shù)
    主減速機(jī)高速齒輪軸結(jié)構(gòu)形式如圖２所示，其中部分參數(shù)如下：
     
    軸材質(zhì)３５ＣｒＭｏ
    法向模數(shù)Ｍｎ＝５
    齒數(shù)Ｚ＝１６
    壓力角αｎ＝２４°
    螺旋角β＝１２°
    Ｍ－Ｍ截面處Ｄ＝１１５ｍｍ，ｄ＝９５ｍｍ，原設(shè)計(jì)Ｒ＝３ｍｍ，重新修改設(shè)計(jì)Ｒ＝１０ｍｍ

    ２．４　事故前運(yùn)行狀況
           ２０１１年１２月１５日，在進(jìn)行設(shè)備點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)１號(hào)回轉(zhuǎn)窯減速機(jī)有輕微異響，隨對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)護(hù)運(yùn)行；２０日進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，采用頻普分析未發(fā)現(xiàn)異常，但異音、振動(dòng)有增加趨勢(shì)；２３日申請(qǐng)停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)高速小齒輪有４個(gè)齒有局部斷齒現(xiàn)象，在隨后的采用輔助傳動(dòng)涼窯停機(jī)進(jìn)行更換過(guò)程中，高速齒輪軸發(fā)生斷裂。

    ２．５　斷齒、斷軸特征
           事故發(fā)生后停機(jī)檢查，高速齒輪軸總計(jì)斷齒４個(gè)，斷裂長(zhǎng)度約為齒寬１／２。從齒斷面看，有２個(gè)連續(xù)斷齒（齒１、齒２）斷裂根部有剝落現(xiàn)象，內(nèi)部有明顯銹蝕點(diǎn)。另２個(gè)斷齒（齒３、齒４）相間３個(gè)未斷齒，為軸斷時(shí)軸系失穩(wěn)，異常嚙合折斷。與之配合的嚙合從動(dòng)齒完好無(wú)損。斷齒斷面如圖３所示。
     
           從軸斷面看，軸斷裂發(fā)生在軸肩處，軸斷后在凹凸斷面咬合下進(jìn)行涼窯運(yùn)轉(zhuǎn)，但斷面磨合后仍可以看到疲勞裂紋存在。軸斷裂位置如圖２所示的Ｍ－Ｍ截面，斷面如圖４所示。
     
    ３　斷齒、斷軸原因分析
    ３．１　斷齒原因分析
    ３．１．１　斷面宏觀分析
    從斷面宏觀分析可知，主動(dòng)齒輪斷齒分兩類。一類為具有疲勞特征的斷齒，另一類為一次性過(guò)載折斷的斷齒。

           如圖３所示，斷齒１和斷齒２齒根部已形成疲勞裂紋，且斷齒呈小塊狀，側(cè)面有片狀剝落，說(shuō)明屬接觸疲勞失效的一種情況，通常是由于齒表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期不斷反復(fù)作用下引起的一種疲勞破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面出現(xiàn)許多痘狀凹坑。在剛出現(xiàn)凹坑或凹坑較少時(shí)，一般仍可繼續(xù)工作，但隨著時(shí)間的延續(xù)，凹坑不斷增多和擴(kuò)大，齒嚙合發(fā)生惡化，齒根部應(yīng)力增大，產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展直至斷齒。斷齒１和斷齒２斷面內(nèi)部存在凹坑，凹坑內(nèi)部有鐵銹色點(diǎn)說(shuō)明該齒加工時(shí)內(nèi)部存在諸如氣孔等內(nèi)部缺陷，這也使工作時(shí)齒在內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力，隨應(yīng)力裂紋的不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷齒呈小塊狀。

           如圖３所示，斷齒３和斷齒４斷面呈一次開(kāi)裂狀，斷面粗糙，斷口無(wú)塑性變形，心部為韌窩狀，斷齒為一整塊，易拼合，通常是由于突然負(fù)載增加或異物卡入嚙合面所致。

    ３．１．２　斷齒結(jié)論
    斷齒１和斷齒２內(nèi)部具有制造缺陷，為疲勞性斷齒。斷齒３和斷齒４一次性過(guò)載折斷的斷齒。

    ３．２　斷軸原因分析
           斷面宏觀分析如圖４所示，斷口位置發(fā)生在高速齒輪軸中部軸肩過(guò)渡處，此處軸頸由直徑９５ｍｍ過(guò)渡至直徑１１５ｍｍ，原設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角３ｍｍ。根據(jù)對(duì)斷面形狀的觀察，斷面基本呈一平面并與軸線垂直，部分區(qū)域存在輕微鋸齒狀形態(tài)，可詳細(xì)分為以下區(qū)域：
    １）疲勞源大至有２～３處，全部發(fā)生在軸肩過(guò)渡處。
    ２）疲勞源發(fā)展區(qū)表面光亮，呈橢圓形區(qū)域，具有放射狀紋理，貝殼狀前沿線。
    ３）疲勞裂紋加速擴(kuò)展區(qū)，呈現(xiàn)光亮且有一定粗糙度。
    ４）瞬時(shí)斷裂區(qū)在最中部，斷面非常粗糙。

    ３．２．２　齒輪軸受力計(jì)算、分析
           齒輪軸支承位置和軸受載荷大小、方向、作用點(diǎn)及載荷種類已明確，支點(diǎn)反力及彎矩可求得，進(jìn)而按彎矩合成理論進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，將軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁。軸上零件傳來(lái)的力作為集中力，其作用點(diǎn)取為零件輪緣寬度的中點(diǎn)。軸上轉(zhuǎn)矩相應(yīng)從輪轂寬度的中點(diǎn)計(jì)算。作用在軸上的各載荷不在同一平面內(nèi)時(shí)，分解到兩個(gè)相互垂直的平面上，然后分別求出兩平面內(nèi)的彎矩，再按失量合成法求得合成彎矩。主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)齒輪軸受力分析計(jì)算結(jié)果如圖５所示。
     
    輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)齒輪軸受力分析計(jì)算結(jié)果如圖６所示。  
    圖５、６中：ａ）、ａ＇）軸上受力分析圖；
    ｂ）、ｂ＇）水平面內(nèi)支反力圖；
    ｃ）、ｃ＇）齒輪的作用力在水平面內(nèi)的彎矩圖；
    ｄ）、ｄ＇）垂直面內(nèi)支反力圖；
    ｅ）、ｅ＇）齒輪的作用力在垂直面內(nèi)的彎矩圖；
    ｆ）、ｆ＇）附加圓周力Ｆ０產(chǎn)生支反力圖；
    ｇ）、ｇ＇）附加圓周力Ｆ０產(chǎn)生的彎矩圖；
    ｈ）、ｈ＇）轉(zhuǎn)矩圖。

    斷軸結(jié)論
           主減速 機(jī) 齒 輪 軸 直 徑 設(shè) 計(jì) 合 理，但 軸 頸 由直接９５ｍｍ過(guò)渡至直接１１５ｍｍ自由過(guò)渡軸肩過(guò)渡圓角Ｒ３設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，應(yīng)改為不小于Ｒ１０的過(guò)渡圓角。齒輪軸斷裂是在涼窯準(zhǔn)備檢修時(shí)，采用輔助減速機(jī)傳動(dòng)時(shí)因軸肩處已產(chǎn)生疲勞裂紋且過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)錯(cuò)誤致使疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)不合格而突然斷裂。

    對(duì)策
    針對(duì)以上計(jì)算、分析，對(duì)避免減速機(jī)齒輪斷齒、斷軸事故再次發(fā)生，提出以下相應(yīng)對(duì)策。
    １）做好減速機(jī)供應(yīng)商的選擇，優(yōu)先選用技術(shù)能力強(qiáng)、制造加工設(shè)備先進(jìn)的、信譽(yù)好的供應(yīng)商。如本減速機(jī)原始訂貨時(shí)為回轉(zhuǎn)窯廠家配套，未提過(guò)技術(shù)方面及供貨廠家等要求，如這些工作做細(xì)，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)提供較好的設(shè)備保證。
    ２）加強(qiáng)設(shè)備制造過(guò)程中間檢驗(yàn)、出廠驗(yàn)收，關(guān)鍵工序進(jìn)行駐廠檢驗(yàn)，保證進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能合格。如本減速機(jī)制造過(guò)程中進(jìn)行詳細(xì)的中間檢驗(yàn)，要求齒輪進(jìn)行全部探傷，完全能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒１、齒２內(nèi)部缺陷并及時(shí)處理，可避免齒１、齒２的斷裂。
    ３）關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部件認(rèn)真進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。如本減速機(jī)高速齒輪軸軸頸由直徑９５ｍｍ過(guò)渡至直徑１１５ｍｍ自由過(guò)渡軸肩過(guò)渡圓角Ｒ３設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，如果進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)審查，發(fā)現(xiàn)并改正過(guò)渡圓角為Ｒ１０，完全能夠避免事故的發(fā)生。

    結(jié)語(yǔ)
           以上是針對(duì)回轉(zhuǎn)窯主減速機(jī)高速齒輪軸斷齒、斷軸進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算、分析，找出事故真正原因在于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，并針性提出改進(jìn)對(duì)策，避免同類事故再次發(fā)生，確保生產(chǎn)的有序進(jìn)行。
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