1概述

　　某電廠循環(huán)水泵中立式行星齒輪箱在運(yùn)行約 50000h(設(shè)計壽命為17萬h)，檢修時發(fā)現(xiàn)立式行星 齒輪箱的止動環(huán)內(nèi)齒工作齒面齒寬中部形成擠壓 變形臺階，高 0.1～0.2mm,沿齒高分布寬約 1～3mm， 圓周每個齒面均勻分布;立式行星齒輪箱上下內(nèi)齒圈的外直齒磨損及剝落嚴(yán)重，在外直齒圓周上失效齒面剝落分布“均勻”，微觀上每個齒面剝落缺陷程 度有所不同，有的齒面約 85%經(jīng)微動磨損、點(diǎn)蝕后進(jìn)入剝落階段，如圖 1，圖 2 所示。

　　圖 1 止動環(huán)內(nèi)齒擠壓變形臺階　

　　圖 2 外齒磨損點(diǎn)蝕

　　2 立式行星傳動系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止 動環(huán)齒面剝落缺陷分析

　　該立式行星齒輪箱采用 NGW 結(jié)構(gòu)，齒輪為雙斜齒齒輪傳動(整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示)，電機(jī)輸入速 度從 744r/min，行星架輸出速度為 161.2r/min，傳輸功率為 4500Kw， 潤滑油使用的 MOBIL Hydraulic oil 液壓油，上下齒圈材料為 BS817M40T(近似國標(biāo)鋼號 40CrNiMoA)，表面滲氮處理，止動環(huán)為氮化處理狀態(tài)。

　　圖 3 立式行星包結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 結(jié)構(gòu)分析

　　該立式行星齒輪箱為太陽輪輸入，經(jīng)過四個行 星輪將功率傳遞到行星架， 行星架帶動輸出軸輸出。 立式行星齒輪箱采用太陽輪、內(nèi)齒圈雙浮動結(jié) 構(gòu)。 太陽輪浮動即太陽輪上部外齒與連接齒套內(nèi)齒 嚙合，其中太陽輪上部外齒為鼓形齒，可以在較小的范圍內(nèi)擺動;太陽輪下部人字齒與行星輪嚙合傳 動;內(nèi)齒圈浮動即通過上下齒圈的內(nèi)齒與行星輪嚙 合，上下齒圈的外齒與止動環(huán)內(nèi)齒嚙合，上下齒圈 的外齒起支撐上下齒圈的作用，止動環(huán)與內(nèi)齒圈之間相對“靜止”。 其中上下內(nèi)齒圈與止動環(huán)裝配關(guān)系 剖面圖如圖 4 所示。 雙浮動結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是噪音小，傳動運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，均載效果好。

　　圖 4 上下內(nèi)外齒圈與止動環(huán)裝配關(guān)系圖

　　止動環(huán)為薄壁套結(jié)構(gòu)，止動環(huán)外齒與固定環(huán)內(nèi) 齒相嚙合，止動環(huán)內(nèi)齒與上下齒圈的外齒相嚙合，止動環(huán)能夠承受一定范圍內(nèi)的沖擊以及搖擺，具有緩沖吸能作用，用于限制行星包的徑向搖擺;在止動環(huán)內(nèi)齒上開槽，槽內(nèi)安裝卡套，上下齒圈通過卡 套固定用于限制行星包的軸向移動。

　　通過結(jié)構(gòu)分析可以看出，止動環(huán)為立式行星齒輪箱的關(guān)鍵零件，可是在止動環(huán)與內(nèi)齒圈之間并沒 有潤滑油通過，主要是通過行星齒輪箱內(nèi)潤滑油飛 濺引起的油霧來潤滑，而止動環(huán)與內(nèi)齒圈直徑相對 微動，產(chǎn)生的磨屑或雜質(zhì)排不出去，容易使齒面磨損。

　　2.2 受力分析

　　根據(jù) NGW 型受力分析，內(nèi)齒圈傳遞的轉(zhuǎn)矩 T:

　　Z_a———太陽輪齒數(shù);

　　Z_b———內(nèi)齒圈齒數(shù);

　　K_p———行星輪間的載荷不均勻系數(shù)

　　n_p———行星輪數(shù)目

　　內(nèi)齒圈受到的圓周力

　　經(jīng)過測繪，太陽輪齒數(shù) Z_a=31，內(nèi)齒圈齒數(shù) Z_b= 105，行星輪間的載荷不均勻系數(shù) K_p=1.15，行星輪 數(shù)量 n_p=4， 功率 P=4500kw， 輸入轉(zhuǎn)速 n=744r/min。 r_a=361mm 計算得內(nèi)齒圈傳遞的轉(zhuǎn)矩為 56248N.m， 上下內(nèi)齒圈內(nèi)齒受力與外齒受力均衡得外齒受力為 46000N。

　　2.3 材料分析

　　BS 970 817M40 是英國的鋼號， 對應(yīng)與我國的 40CrNiMoA，該材料屬于中碳合金鋼，氮化后材料的 耐磨性提高、抗疲勞性較好、心部強(qiáng)韌性好。 是中碳 合金鋼中比較好的一種齒輪材料。 對現(xiàn)場化學(xué)成分材料的檢驗，結(jié)果見表 1：

　　表 1 材料化學(xué)成分

　　經(jīng)檢測齒面硬度 HRC58，如果想提高齒面硬度 只能通過其他工藝。

　　2.4 總結(jié)

　　通過結(jié)構(gòu)分析，受力分析，材料分析得知該立式 行星齒輪箱內(nèi)齒圈是行星輪嚙合的支撐圈，它的齒面質(zhì)量穩(wěn)定狀態(tài)決定運(yùn)行的平穩(wěn)度， 它的可靠性要求較 高。由于行星輪嚙合會有動力作用于內(nèi)斜齒面上，再傳到外直齒、由止動環(huán)內(nèi)齒傳到箱體、基礎(chǔ)上，運(yùn)動中力 的傳遞是動態(tài)的、變化的。由于變形及力的大小變化就外齒及內(nèi)齒面產(chǎn)生微動，從而造成微動磨損。

　　由于上下齒圈的內(nèi)齒是斜齒輪嚙合，它自身的誤差會有附加應(yīng)力，斜齒寬約(2X135)，而外支撐 (直齒—止動環(huán))位于中心約 2X20,也會產(chǎn)生搖擺，水泵的軸向力是變動的，且較大，流體的瞬變也會產(chǎn)生擾動。初步看法：這是產(chǎn)生微動磨損的動力源。

　　3 微動磨損定義及機(jī)理簡介

　　微動損傷(Fretting damage)是存在于近似“靜 止”配合的機(jī)械零件中的一種損傷方式，Hoppner 將微動損傷定義為：兩個相互接觸表面在一定的法向載荷作用下，若表面間存在小幅的相對振動運(yùn)動，接觸表面上所出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象。

　　微動磨損是一種分子磨損過程，即兩接觸面在 垂直負(fù)荷和往復(fù)運(yùn)動下，使接觸表面足以接近到范 得瓦爾力起作用的程度，從而導(dǎo)致材料脫離母體，然后被氧化。

　　微動磨損導(dǎo)致材料損失是化學(xué)與機(jī)械共同作用的結(jié)果，機(jī)械作用將氧化層和吸附層刮掉，露出清潔而活潑的新鮮金屬表面。 新鮮表面將迅速吸附周圍氣體并發(fā)生氧化反應(yīng)，這是化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械和化學(xué)作用交替造成材料損失。

　　4 行星傳動系統(tǒng)上下內(nèi)齒圈、止動環(huán)齒面剝落改進(jìn)措施

　　4.1 防止微動磨損的方法

　　防止微動破壞的最簡單的辦法就是消除振動源。 但是，在工業(yè)實踐中，振動源在大多數(shù)情況下是無法避免的，因此微動磨損也是無法避免的，只能采取積極措施去減緩這種破壞。 引起微動損傷的因素：一是兩零件的接觸條件，如接觸壓力、循環(huán)次數(shù)、相對滑動振幅等;二是接觸面之間的物理條件， 如溫度表面硬度;三是接觸面環(huán)境條件，即周圍空 氣清潔程度及潤滑條件等。 通過以上分析可以得出：通過表面強(qiáng)化工藝、材料的選擇和結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu) 化等措施預(yù)防可以有效減少微動磨損，提高機(jī)械運(yùn) 行壽命，具體措施如下：

　　4.1.1 增加接觸表面強(qiáng)度

　　該立式行星齒輪箱上下齒圈經(jīng)過表面滲氮處理，齒面硬度已經(jīng)達(dá)到 HRC58，建議對上下齒圈外直齒表面采用離子濺射、離子鍍處理，離子濺射可獲得極薄而均勻地涂層，不僅獲得良好的抗微動磨損性能，而且影響原部件的配合公差。

　　4.1.2 材料的選用和配合

　　在設(shè)計時對接觸副材料的合理選用和匹配對 減緩微動失效有較大的作用。在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，選擇柔性較好、變形量大的材料能有效吸 收相對滑動，從而產(chǎn)生減輕表面破壞的作用;選擇硬度大、疲勞強(qiáng)度高地母體材料能有效地減輕微動 的磨損及抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展;此立式行星傳動 齒輪箱材料選用合理，暫時無法改變。

　　4.1.3 降低摩擦系數(shù)

　　減緩微動損傷的一個有效措施是降低摩擦系 數(shù)(即摩擦力)，而摩擦系數(shù)的減少可通過潤滑的方 式來實現(xiàn)。 通過潤滑油強(qiáng)制潤滑能達(dá)到降低摩擦系數(shù)和接觸黏著的功能。同時潤滑油還能通過限制氧氣的侵入達(dá)到防止微動腐蝕。建議對止動環(huán)跟內(nèi)齒圈嚙合的齒輪位置設(shè)置一路潤滑油，達(dá)到潤滑，冷卻，沖洗的作用。

　　4.2 本立式行星齒輪箱的改進(jìn)方法

　　通過上面分析，最終通過對止動環(huán)內(nèi)齒以及上下內(nèi)齒圈外直齒齒面處理，增加齒面硬度到HRC62，同時改進(jìn)潤滑方式，增加上下內(nèi)齒圈外直齒與止動環(huán)內(nèi)齒嚙合部位的強(qiáng)制潤滑，改善潤滑狀態(tài)，提高磨損件的使用壽命。

　　5 結(jié)論

　　立式行星齒輪箱上下內(nèi)齒圈外直齒點(diǎn)蝕剝落缺陷產(chǎn)生原因為微動磨損，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)、受力、材料的分析，確定改進(jìn)方案，對改進(jìn)后的立式行星齒輪箱上下齒圈外直齒以及固定套內(nèi)齒的監(jiān)控，確定改進(jìn)后的方案效果明顯，齒輪箱使用壽命大大延長。