(东莞市天一精密机电有限公司 广东东莞 523000)
[摘 要]起重机，其内部齿轮的减速器在实际运行期间，通常会出现电机的断轴故障问题，不仅会影响正常的机器运转，还会影响到起重机实际的使用寿命。那么，为了能够更好地控制好这一故障问题发生几率，避免此类问题反复出现，就需相关技术人员能够结合以往的实践经验，综合分析起重机内部齿轮的减速器实际运行期间电机的断轴故障问题，把握住故障问题发生的源头，采取有效性地防治及处理措施。从而降低起重机内部齿轮的减速器实际运行期间电机的断轴故障问题发生几率，确保该起重机可持续稳定地运行。
[关键词]起重机；齿轮；减速；电机；断轴；分析；
前 言：
以某厂区改造工程中所应用型号为桥式10 + 10 t- 28m的起重机，为典型小车的运行机构。减速器与电机间使用全齿的联轴器予以链接，联轴器与车轮间的连接，则采用一根轴与两根半的齿联轴装置。如图1所示，为其整体的机构筒。YZＲ160M2-6为电机的型号，它额定的功率为7.6kw，额定的转速则为746r/min。如图2，为该减速器总架构图。高速的齿轮轴，其齿轮与轴为一体化的制造结构，材料是42Cr Mo，实际调质的硬度为291HB-323HB区间内，在减速器实际运行15d之后，该高速的齿轮轴和粗细断裂故障问题，且断口处发生于电机一侧轴承定位的轴肩处，因安装的实际尺寸受到严重的限制，高速的齿轮轴实际尺寸并未更改，仅仅将轴肩处圆角的尺寸增加，并将其表面加工的精度提高，以能够尽可能地将断口轴肩处所有应力集中起来，该减速器在运行了30d之后再次出现了断轴故障问题，实际断口的位置与前期的位置相同。
图1 机构筒示图
图 2 减速器结构示图
1、断轴检验与结果分析
1.1观察断口
该减速器内部高速的齿轮轴所在断口处较为粗糙，为放射状的撕裂性棱线，从微观及宏观角度上来看，该断口处并没有发现存在着原始性的裂纹、疲劳的条带、疲劳的弧线、冶金的缺陷等这些断裂性特点，该轴向与断面为螺旋形状，处于典型顺时冲击的扭转过载性断裂基本特点。
1.2检验金相组织
自该高速的齿轮轴所在断口位置取好金相的样品，依据钢质的模锻件第一金相组织总体评级标准，对金相组织开展标准化地检验操作。经过精准地检验之后，最终的检验结果是1级回火的索氏体。
1.3检验硬度
该高速的齿轮轴所在1表面硬度为310HB，而2面的硬度则为300HB，其硬度的标准范围即为291HB ～ 323HB，该高速的齿轮轴硬度指标符合该标准。
1.4检验化学成分
针对该高速的齿轮轴开展化学主要成分地检验操作，如图3所示，为其最终的检验结果。在该列表当中，化学成分的标准范围及合金的结构钢相关技术标准已经列出，从检验结果中可明显看出该高速的齿轮轴实际化学成分并无异常情况，完全符合于化学成分的标准范围及合金的结构钢相关技术标准。
图3 高速的齿轮轴实际化学成分示图（%）
2、断轴问题客观因素及其应对措施
结合上述检验研究结果来看，该高速的齿轮轴实际化学成分处于正常标准范围之内，金相的组织也处于良好状态制造，实际硬度也基本符合于各项技术标准；轴肩过渡的圆角位置表面实际加工的精度也相对较高，并不存在着应力过于集中这一情况；其断口处也并没有存在着杂质、微小裂纹、原始性缺陷等问题，呈典型顺时冲击性扭转过载的断裂特点，符合于起重机实际运行机构当中突然制定这一工作特点。在制动期间，该减速器内各个齿轮轴均会受到较大冲击性载荷所影响，在制动的冲击性力矩大于该齿轮轴自身实际承受极限的力矩期间，该齿轮轴将会在瞬间处于危险的界面位置发生断裂情况，减速器的齿轮轴自身所受到制动的冲击力矩，其主要是由该齿轮的副圆侧隙、啮合齿轮运转的速度决定着，该列式为T = I•2πn2•d /( 60 * 60jt) ≤Ta。在该列式当中，T代表齿轮轴自身承受制动冲击的力矩；I代表啮合齿轮转动的惯量；d代表啮合齿轮的分度圆；n代表啮合齿轮的转速；Ta代表齿轮轴极限的力矩；jt代表齿轮副圆的周侧隙。从该列式中可分析出，该减速器参数在得到精准确定之后，仅需在对制动施加控制期间，啮合齿轮实际转速方可防止齿轮轴因受制动冲击的力矩而出现超出自身极限力矩的情况，因该减速器的各级齿数均为额定，所以，可对小车实际运行的机构制动予以限制，在电机瞬时的转速期间，能够将齿轮轴自身所承受制动冲击的力矩降低。若想将齿轮轴自身安全性提高，可通过齿轮轴实际承受极限的力矩列式，即为nmax=i*
（在该；列式当中，nmax代表小车实际运行机构在制动期间可允许电机最高的瞬时性转速，i代表该高速的齿轮轴其与齿轮轴的转速比例）。那么，通过该列式即可计算出制动期间齿轮轴可允许最大的转速范围，依据该减速器实际传动比例，将小车实际运行机构的制动期间可允许电机最高的瞬时性转速计算出来，以防止制动期间该齿轮轴危险性截面出现过载性断裂故障问题。
3、齿轮轴三维模型分析
通过Solidworks的有效性利用，进行各个级齿轮轴三维模型的构建，基本定义与材质的属性即为：实际弹性的模量是206GPa，实际泊松的比是0.29，该质量的密度是7.83 g/ cm3，它屈服的极限即为600MPa；通过Solidworks合理化应用，默认二阶四面的网格单元，对该齿轮轴予以网格化的划分，如图4-6所示，为该网格化主要划分示图。
图4 高速的齿轮轴示图
图5 二级的齿轮轴示图
图6 三级的齿轮轴示图
在该轴承实际安装处施加相应轴承的支撑性约束力，让该齿轮仅可绕过轴线进行转动，而不可移动。该齿轮的安装处与高速的齿轮轴所处平键位置上添加高级的夹具，并设定该轴向不可随意旋转。适当对该齿轮轴增加载荷，在电机瞬时性转速在150 r/min区间，将各个齿轮轴的转速计算出来，并将其代入至T = I•2πn2•d /( 60 * 60jt) ≤Ta列式当中，以将各个齿轮轴所受到制动冲击的力矩计算分析出来，把力矩合理地施加至被冲击的齿面之上，以获取各级的齿轮轴安全系数及Von Mises的应力。如图7-12所示，为获取各级的齿轮轴安全系数及Von Mises的应力示图。
图7 高速的齿轮轴实际Von Mises的应力示图
图8 高速的齿轮轴施加安全系数示图
图9 齿轮轴（二级）Von Mises 的应力示图
图 10 齿轮轴（二级）安全系数示图
图11 齿轮轴（三级）Von Mises 的应力示图
图12 齿轮轴（三级）安全系数示图
那么，从以上图中即可明显看出，若电机制动的瞬时性转速在150 r/min 期间，减速器内部高速的齿轮轴、齿轮轴（二级）、齿轮轴（三级），其最小的静强度性安全系数即为：1.70系数、2.72系数、19.35系数。该高速的齿轮轴安全系数相对较低，它危险性截面处于该电机一侧轴承定位的轴肩处，基本相同于减速器断轴的位置。故需限制该小车实际运行机构制定期间的电机转速，确保其控制在150 r/min区间内，切实地避免该高速的齿轮轴出现危险性截面的断裂故障问题。
4、结语
综上所述，为了能够切实地防止起重机内部齿轮的减速器实际运行期间，电机的断轴故障问题出现，就需相关专业技术人员积极投身于实践经验积累当中，以能够从根本上把握住该断轴故障问题发生的客观因素，通过有针对性防治手段地合理化应用，避免此类故障问题再次出现，保证该起重机能够可靠性运行。
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论文作者:李敦辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：齿轮轴论文; 减速器论文; 力矩论文; 齿轮论文; 起重机论文; 电机论文; 转速论文; 《电力设备》2018年第17期论文;