專業(yè)論文
回轉(zhuǎn)支承斷齒分析及解決方案
馬鞍山統(tǒng)力回轉(zhuǎn)支承有限公司 侯寧 朱良銀 胡恒強(qiáng)
徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司 彭方
一、概況
回轉(zhuǎn)支承斷齒問(wèn)題主要發(fā)生在內(nèi)嚙合、硬齒面（齒面硬度≥HRC50）上，比如挖掘機(jī)、旋挖鉆、履帶吊等。而外嚙合、軟齒面（齒面硬度≤HRC30），斷齒現(xiàn)象很少見(jiàn)到。根據(jù)筆者對(duì)國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)配套回轉(zhuǎn)支承三十年研究和制造經(jīng)驗(yàn)，和外資品牌挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承后市場(chǎng)十五年來(lái)的不完全統(tǒng)計(jì)，不同時(shí)期，不同品牌國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)斷齒概率有所不同，約在1%~2%，而后市場(chǎng)回轉(zhuǎn)支承的斷齒率卻高達(dá)5%~6%。特別在某些國(guó)產(chǎn)品牌的5噸、7噸、8噸挖掘機(jī)上，甚至出現(xiàn)兩位數(shù)百分比的大面積斷齒問(wèn)題?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)總成的損壞總是與回轉(zhuǎn)支承斷齒成正比關(guān)系，20噸級(jí)挖掘機(jī)減速機(jī)總成的損壞是回轉(zhuǎn)支承斷齒的2倍左右。某三個(gè)外資品牌20噸級(jí)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承模數(shù)分別為10、12、14，但斷齒概率卻不相上下，甚至相反關(guān)系。
二、挖掘機(jī)斷齒原因分析
筆者在《回轉(zhuǎn)支承早期斷齒分析及解決措施》（《建筑機(jī)械》2002年第7期）一文中明確提出，回轉(zhuǎn)支承斷齒大部分出現(xiàn)在整機(jī)出廠早期的一年內(nèi)，而且是徑向傾斜擠壓造成的（見(jiàn)圖一）?；剞D(zhuǎn)支承的齒輪傳動(dòng)與之嚙合的小齒輪是“浮動(dòng)軸傳動(dòng)”，由于回轉(zhuǎn)支承本身存在間隙，在挖掘機(jī)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的傾翻力矩，小齒輪的中心線就會(huì)產(chǎn)生一定角度的傾斜和徑向位移，齒輪的中心距和齒側(cè)間隙就會(huì)發(fā)生變化。
圖一 齒輪擠壓示意圖
回轉(zhuǎn)支承在出廠時(shí)是有間隙的，小齒輪安裝在上車架，在主機(jī)工作時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的間隙會(huì)導(dǎo)致小齒輪有個(gè)徑向位移量La，在受傾覆力矩M的作用下，小齒輪又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾斜角度α。一般情況下，挖掘機(jī)用回轉(zhuǎn)支承的出廠間隙＜0.20mm，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，回轉(zhuǎn)支承的間隙＜0.30mm在實(shí)際的工作中，滾道會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，在給日立建機(jī)配套的一款回轉(zhuǎn)支承，在受載后，滾道和鋼球的接觸區(qū)是面接觸（見(jiàn)圖二），這么大的接觸面積，滾道的單邊彈性變形量在0.20mm左右，雙邊就是0.40mm，僅滾道的變形量就這么大，加上主機(jī)的機(jī)架變形等等各種因素，聯(lián)接在挖掘機(jī)上車架上的小齒輪的徑向偏移量達(dá)到1.0mm左右，對(duì)應(yīng)的大小齒輪的擠壓量也是1.0mm左右。因與回轉(zhuǎn)支承嚙合的小齒輪安裝在大臂的相反方向，當(dāng)兩者齒側(cè)間隙過(guò)小時(shí)，位移尚未完成，小齒輪就壓在大齒輪上，這種情況下本應(yīng)有回轉(zhuǎn)支承滾道承載的載荷卻有齒輪承載。大小齒輪反復(fù)的擠壓們最終導(dǎo)致斷齒。結(jié)論是回轉(zhuǎn)支承的斷齒是由大小齒輪嚙合擠壓造成。
圖二 受載后鋼球和回轉(zhuǎn)支承滾道的接觸區(qū)
三、解決挖掘機(jī)用回轉(zhuǎn)支承斷齒過(guò)程
回轉(zhuǎn)支承的擠壓斷齒現(xiàn)象：斷齒通常發(fā)生在沿齒寬方向的上半部，斷裂面與輪齒的上端面相交，并成45°~60°左右的夾角（見(jiàn)圖三、四），即使全齒脫落其裂紋也是自上而下擴(kuò)張所致。齒輪受擠壓而產(chǎn)生的塑性變形也相當(dāng)明顯，且上部較下部嚴(yán)重得多，整圈齒槽寬都有不同程度變化，從下至上，從根至頂齒槽寬遞增。
圖三 斷齒圖 圖四 有37°斜角斷齒圖
對(duì)于挖掘機(jī)用回轉(zhuǎn)支承的斷齒問(wèn)題，我們一直在努力的尋找解決辦法，具體的方案分以下幾個(gè)過(guò)程：
1、保障大小齒輪嚙合的齒側(cè)間隙不小于0.06m（m模數(shù)）。對(duì)20噸級(jí)挖掘機(jī)，回轉(zhuǎn)支承的模數(shù)是10mm，大小齒輪嚙合的齒側(cè)間隙不小于0.6mm。在挖掘機(jī)配件后市場(chǎng)，由于客戶對(duì)于大小齒輪嚙合時(shí)齒側(cè)間隙不注重，導(dǎo)致斷齒率居高不下，于是我們就宣貫斷齒與齒側(cè)間隙的關(guān)系，讓他們了解齒側(cè)間隙控制不好，回轉(zhuǎn)支承斷齒是必然。進(jìn)過(guò)幾年的宣貫，挖掘機(jī)后市場(chǎng)（配件市場(chǎng)）回轉(zhuǎn)支承的斷齒率由以前的6%下降到5%左右。
2、37°斜角齒輪回轉(zhuǎn)支承。將回轉(zhuǎn)支承齒圈非安裝面上的齒輪部分由全齒寬改為具有37°的倒角（見(jiàn)圖五），回轉(zhuǎn)支承將常發(fā)生斷裂的部分人為切去，從而在小齒輪發(fā)生位移時(shí)無(wú)法將擠壓力集中在齒寬的上部，這樣回轉(zhuǎn)支承的齒輪部分不會(huì)在使用早期就產(chǎn)生擠壓裂紋，可以有效延緩回轉(zhuǎn)支承齒輪早期斷齒問(wèn)題。通過(guò)這個(gè)改進(jìn)，經(jīng)過(guò)兩年的統(tǒng)計(jì)，挖掘機(jī)后市場(chǎng)（配件市場(chǎng)）用此回轉(zhuǎn)支承的斷齒率由以前的5%下降到4%左右。
圖五 37°斜角齒輪式回轉(zhuǎn)支承
3、漸變硬度齒輪回轉(zhuǎn)支承。既然回轉(zhuǎn)支承的斷齒是擠壓造成的
如何預(yù)防大小齒輪擠壓是重點(diǎn)。在齒輪進(jìn)行感應(yīng)淬火時(shí)，將齒輪加熱區(qū)段分成正常硬區(qū)、過(guò)渡區(qū)和軟區(qū)三段（見(jiàn)圖六），硬區(qū)的硬度為HRC50~56，軟區(qū)的硬度為鋼件基體的調(diào)質(zhì)硬度。這樣，大小齒輪嚙合產(chǎn)生擠壓時(shí)，上端面的軟區(qū)就會(huì)產(chǎn)生擠壓塑形變形，而不會(huì)擠斷。經(jīng)過(guò)一年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，挖掘機(jī)后市場(chǎng)（配件市場(chǎng)）用此回轉(zhuǎn)支承沒(méi)有發(fā)生斷齒現(xiàn)象，很好的解決了斷齒問(wèn)題。
圖六 漸變硬度齒輪式回轉(zhuǎn)支承
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)支承漸變硬度齒輪在受擠壓產(chǎn)生的軟齒面變形2mm時(shí)（見(jiàn)圖七），大小齒輪仍能正常嚙合，完好的傳動(dòng)；當(dāng)軟齒面擠壓變形達(dá)到3mm時(shí)（見(jiàn)圖八），過(guò)渡區(qū)及硬齒面區(qū)產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。
圖七 實(shí)驗(yàn)中，在齒輪上端面擠壓變形2mm時(shí)的齒輪情況
圖八 實(shí)驗(yàn)時(shí)齒輪上端面擠壓變形3mm時(shí)的斷齒情況
以解決斷齒的方法是加大大小齒輪的齒側(cè)間隙，但是一味的的加大齒側(cè)間隙，會(huì)導(dǎo)致挖掘機(jī)鏟斗左右擺動(dòng)量增大，這是任何主機(jī)廠和挖掘機(jī)客戶都不愿意看到的結(jié)果。漸變硬度齒式回轉(zhuǎn)支承很好的解決了這一問(wèn)題，上面已經(jīng)介紹，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)小齒輪對(duì)大齒輪擠壓2mm時(shí)，漸變硬度齒能完好的正常工作，挖掘機(jī)和旋挖鉆在正常工作時(shí)，大小齒輪的擠壓量是不會(huì)超過(guò)2mm的，對(duì)于大小齒輪嚙合時(shí)的齒側(cè)間隙可以適當(dāng)?shù)臏p小。在回轉(zhuǎn)支承出現(xiàn)斷齒的時(shí)候，回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)也同樣出現(xiàn)損壞的情況，大小齒輪嚙合不產(chǎn)生擠壓后，回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)的損壞也大大降低。這樣，漸變硬度齒式回轉(zhuǎn)支承即解決了斷齒問(wèn)題，又能控制挖掘機(jī)和旋挖鉆大臂的擺動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)又降低了回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)的損壞，起到一箭三雕又能控制挖掘機(jī)和旋挖鉆大臂的擺動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)又降低了回轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)的損壞，起到一箭三雕的目的。
四、結(jié)論
漸變硬度齒式回轉(zhuǎn)支承投放市場(chǎng)有一年多的時(shí)間，二千多套產(chǎn)品，至今未出現(xiàn)斷齒問(wèn)題。漸變硬度齒式回轉(zhuǎn)支承是對(duì)挖掘機(jī)、旋挖鉆等工程機(jī)械斷齒問(wèn)題的一次革命性的突破，解決了斷齒問(wèn)題。“專業(yè)敬業(yè)、成就事業(yè)”是統(tǒng)力人亙古不變的宗旨。
