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閱讀新聞介紹了某化工裝置電動(dòng)閥門(mén)的IB型齒輪箱中錐齒輪、平面軸承及其軸套等主要零部件損壞情況，從工況、選型和結構形式等方面進(jìn)行原因分析，并從齒輪箱的結構形式、齒輪嚙合位置及檢查維護制度等方面提出了改進(jìn)的辦法，提高了電動(dòng)閥的使用壽命。
1、概述
隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的日益發(fā)展，電力、冶金、石油化工及環(huán)保等眾多行業(yè)使用電動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現閥門(mén)的計算機程控、遙控及現場(chǎng)控制已經(jīng)成為一種趨勢。由于齒輪箱具有改變傳動(dòng)方向、增大轉動(dòng)力矩和減速等特點(diǎn)，一般要求較大啟閉力矩的閥門(mén)電動(dòng)裝置都會(huì )選擇安裝齒輪箱，通過(guò)齒輪箱將電動(dòng)裝置電機輸入的高速低扭矩動(dòng)力轉換成低速高扭矩的啟閉力矩輸出，以達到高性?xún)r(jià)比組合。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)認為齒輪箱的結構和性能是電動(dòng)裝置及閥門(mén)長(cháng)期正常運行的關(guān)鍵。
2、結構原理
BA型齒輪箱是一種多回轉電動(dòng)閥門(mén)齒輪箱，由傳動(dòng)軸、錐齒輪、傘形齒輪、銅螺母、平面軸承、O形圈、托盤(pán)及軸承座等組成(圖1)。電動(dòng)裝置通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)錐齒輪轉動(dòng)，傘形齒輪通過(guò)與錐齒輪的嚙合實(shí)現旋轉運動(dòng)，銅螺母通過(guò)與傘形齒輪的花鍵連接實(shí)現轉動(dòng)，最后閥桿通過(guò)與銅螺母的梯形螺紋配合實(shí)現直線(xiàn)升降運動(dòng)，從而控制了閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。
直齒圓錐齒輪箱
1.傳動(dòng)軸 2.錐齒輪 3.傘形齒輪 4.平面軸承 5.銅螺母 6.閥桿安裝處 7.O形圈 8.托盤(pán)
圖1 直齒圓錐齒輪箱
3、工況分析
按照相關(guān)數據規定，電動(dòng)閥門(mén)IB型齒輪箱磨損件的設計壽命周期為2萬(wàn)圈。以電動(dòng)閥門(mén)(14in.-300LB)為例，每4天開(kāi)關(guān)一次，開(kāi)關(guān)單行程為22.5圈，每4天為45圈，一年為4107圈，按此計算至少運行4.87年。根據裝置的實(shí)際情況，發(fā)現齒輪箱沒(méi)有達到使用壽命的要求，使用1年后該批電動(dòng)閥門(mén)連續出現多次齒輪箱損壞的情況，損壞部件更換后，2個(gè)月內又出現同樣的問(wèn)題。常見(jiàn)的故障有錐齒輪大端的磨損，銅螺母磨損，平面軸承及止推墊圈損壞及閥桿梯形螺紋損傷等現象。
(1)錐齒輪大端的磨損。錐齒輪大端的磨損約占整個(gè)齒長(cháng)的1/5，嚙合部位磨損嚴重(圖2)。
錐齒輪大端磨損
圖2 錐齒輪大端磨損
(2)銅螺母磨損。銅螺母軸承座外圓及配合斷面均嚴重磨損(圖3)。
銅螺母磨損
圖3 銅螺母磨損
(3)平面軸承及止推墊圈損壞。止推墊圈摩擦面出現外低內高且變形量較大，單側面呈弧形。滾道磨損量外側大于內側。斷裂推力圈顏色發(fā)藍。保持架因旋轉受阻，被擠而變形破裂(圖4)。
平面軸承及止推墊圈損壞
圖4 平面軸承及止推墊圈損壞
(4)閥桿梯形螺紋損傷。閥桿螺紋與銅螺母配合的梯形螺紋傳動(dòng)面嚴重磨損(圖5)。
閥桿梯形螺紋損傷
圖5 閥桿梯形螺紋損傷
4、故障分析
4.1、電動(dòng)傳動(dòng)機構選型
選取14in.(DN350)平行雙閘板閥，驗證閥門(mén)軸向力對平面軸承的磨損及其所造成的過(guò)早疲勞和斷裂，核算閥門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)的總軸向力和閥門(mén)開(kāi)啟扭矩(表1，表2)，確定傳動(dòng)機構軸向力選擇的合理性，以及推力軸承滿(mǎn)足設計要求的情況。
表1 技術(shù)參數
電動(dòng)閥門(mén)IB型齒輪箱故障分析及對策
表2 計算結果
電動(dòng)閥門(mén)IB型齒輪箱故障分析及對策
分析計算結果及齒輪箱參數(最大可承受軸向力為177kN，額定扭矩為726N·m)可以得出，齒輪箱的損壞不是由于閥門(mén)的操作推力或扭矩過(guò)大引起的，同時(shí)在選型過(guò)程中通過(guò)軸向力選擇的電動(dòng)傳動(dòng)機構基本符合電動(dòng)裝置的要求。
4.2、軸承及機座
齒輪箱軸承采用AXK型滾針與保持架推力組件+AS系列兩件相同的止推墊圈。軸承外徑為70mm(14in.(DN350)閥門(mén))，軸承能承受的最大靜載荷為254kN，而閥門(mén)在最大壓差下的開(kāi)啟軸向力為56kN，由此可見(jiàn)，若各滾針均勻受力且重心應在滾針的長(cháng)度中部的話(huà)，其負載能力是足夠的。
(1)軸承與機座配置
軸承選用AS系列1mm厚彈簧鋼制成的止推墊圈是為了縮小軸承軸向尺寸、解決機座硬度不夠、不耐磨等問(wèn)題。按照相關(guān)數據規定，AS系列止推墊圈可以用作滾道，如果鄰近的設備部件沒(méi)有經(jīng)過(guò)硬化，但有足夠的剛性并且運行精度需求適中的情況下，AS系列墊圈可以用于提供經(jīng)濟型軸承的配置。但在選擇使用時(shí)未考慮到由于機座面硬度低，當滾針在止推墊圈上滾過(guò)時(shí)，出現軸承止推墊圈與機座彈塑性變形，相當于在橡膠上放上一層較薄的硬質(zhì)金屬件，易造成軸承損壞，并沒(méi)有起到設計規定的作用。
(2)軸承運轉特點(diǎn)
滾針推力軸承運轉時(shí)，是一個(gè)圓柱體在圓環(huán)面上的運動(dòng)，內、外圓周的長(cháng)是不相等的，若要使滾柱必須作圓周運動(dòng)，滾針與止推墊圈之間必然存在滑動(dòng)現象。滾針要達到繞環(huán)形軌跡運行，只能依靠保持架來(lái)引導。這時(shí)滾針的中心線(xiàn)與保持架中心線(xiàn)必定會(huì )存在著(zhù)角度偏差，而且滾針對保持架存在著(zhù)向外的徑向分力。當滾針受力不均勻時(shí)，滾針對保持架向外的徑向力不對稱(chēng)，造成保持架趨向偏移，內圈與銅套發(fā)生異常的強摩擦，保持架運行受阻及附加力最終導致?lián)p壞。
(3)止推墊圈斷口
對損壞的墊圈檢查發(fā)現內部有少量夾渣，斷口為擠壓碎裂，硬度為55HRC。分析得出，斷裂原因主要是推力圈局部受壓后，彎曲應力集中引起的斷裂。軸承工作過(guò)程中，墊圈的部分斷裂現象與支承推力圈的基面硬度、兩者之間接觸面積、受力均勻度有關(guān)。軸承止推墊圈的自身剛性較差，軸承座、銅套軸承機座材料較軟，導致軸承的止推墊圈、滾針及保持架局部受力超出了設計載荷，潤滑被破壞而產(chǎn)生高溫、變形及損壞，是齒輪箱損壞的主要原因之一。
4.3、齒輪磨損
檢查發(fā)現齒輪的嚙合位置均在大圓側，且小齒輪磨損嚴重，這是齒輪傳動(dòng)中典型的齒輪不良接觸形式。正常的嚙合痕跡應該是小齒輪偏向小端接觸長(cháng)度為有效齒長(cháng)的2/3～3/4。而傘齒輪底面與托盤(pán)之間磨損異常，靠近錐齒輪側最深處有2mm(圖6)。由此可見(jiàn)，裝配時(shí)由于傳動(dòng)軸軸向位置太靠近齒輪箱側，使得2個(gè)齒輪配合間隙非常的小，增加了對傘齒輪往下壓的附加力和傾覆力矩。錐齒的小端因傘齒輪對其軸線(xiàn)受向上反作用力而彈性變形，僅大端參與了傳動(dòng)，造成上述的故障現象。進(jìn)一步加大了對滾針軸承的軸向力而且還影響了各滾針的均勻受力，加速了其損壞。
傘齒輪底面托盤(pán)磨損
圖6 傘齒輪底面托盤(pán)磨損
4.4、銅套及閥桿磨損
由于傘齒輪傾覆力矩的存在，迫使銅套與各相關(guān)零件發(fā)生磨損。磨損后的磨屑掉入滾針軸承后在滾針和止推墊圈之間進(jìn)行輾壓，從而導致滾針滾動(dòng)受阻，使得保持架旋轉受阻被擠壓而損壞，加快了滾針軸承內部件的損壞。損壞部件的小碎片擠出軸承座O形圈后，加入銅套內螺紋與閥桿的磨損中，隨閥桿螺紋上升和下降，加速了銅螺母內螺紋的磨損，同時(shí)也導致了閥桿螺紋表面的劃傷，從而更加劇了銅螺母的磨損。
5、措施與對策
(1)改進(jìn)軸承形式
優(yōu)化齒輪箱設計，將滾針軸承更換為止推墊圈較厚的球面滾子推力軸承，可以解決由于機座較軟，產(chǎn)生塑性變形的問(wèn)題。若是臨時(shí)措施，將平面滾針軸承更換為具有良好潤滑作用的平墊片也可。
(2)選擇合理開(kāi)關(guān)力矩
電動(dòng)閥門(mén)采用的是力矩和行程限位相結合的方式。在閥門(mén)調試過(guò)程中，保證閥門(mén)密封性的同時(shí)，盡可能的將其開(kāi)關(guān)閥門(mén)的力矩設定值降低，以減少閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)對齒輪箱的沖擊。
(3)調整齒輪嚙合位置
調整齒間的嚙合位置，同時(shí)控制電機軸對錐齒輪軸軸向位移的干擾，減小傘齒輪軸向力及非旋轉方向傾覆力矩。
(4)定期檢查維護
定期檢查閥桿潤滑脂內有無(wú)銅屑，拆開(kāi)齒輪箱上蓋，檢查齒輪嚙合的位置。
6、結語(yǔ)
改進(jìn)后，電動(dòng)閥門(mén)齒輪箱運行半年后各部件運行良好，經(jīng)檢查未發(fā)現嚴重磨損和損壞情況。通過(guò)此次故障分析和技術(shù)改造，為閥門(mén)電動(dòng)裝置的設計與選型提供了合理的參數和依據，為化工裝置長(cháng)周期運行積累了技術(shù)知識和實(shí)際經(jīng)驗。