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1 概述
寶鋼高速線材分廠粗、中軋區(qū)的立式軋機包括2V、4V、6V、8V、10V、12V 和 14V 共 7 部， 采用的是下傳動方式， 即主傳動裝置電機與減速機等安裝在軋制水平線之下。高線投產(chǎn)以來， 6V、12V 和14V 主傳動減速機錐齒輪接連發(fā)生斷齒事故， 其中， 6V 軋機主傳動減速機第一級錐齒輪接連發(fā)生三次斷齒故障。從錐齒輪斷裂的斷口及材料的宏觀、微觀和硬度分析看其失效的性質(zhì)如下： （ 1） 螺旋錐齒輪的斷裂屬于疲勞斷裂； （ 2） 斷裂齒材料存在明顯的疏松空隙， 齒面滲碳層硬度偏低， 降低了材料的疲勞性能， 錐齒輪工作時齒根部受應(yīng)力最大， 齒根部容易發(fā)生疲勞斷裂， 從磨損的情況看是屬于早期疲勞斷裂。本文從6V螺旋錐齒輪的強陶慧明 高工 1960年生1983 年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學(xué)院 現(xiàn)從事冶金機械技術(shù)專業(yè) 電話 26649615度、精度、熱處理、材料等方面對齒輪失效的根本原因進行分析研究。
2 強度分析與失效原因
2. 1 6V 軋機主傳動錐齒輪強度計算
6V 錐齒輪主要參數(shù)， 采用 Gleason 工廠推薦方法及數(shù)據(jù)進行計算。
輪齒失效概率低于 1/ 100.
從計算結(jié)果看： 在軋機傳動功率400 kW 不變的情況下， 當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速低于 1 200 r/ min 時， 小輪彎曲強度的失效概率高于 1/ 3； 轉(zhuǎn)速大于等于1 800 r/ min 小于 2 000 r/min 時， 小輪的彎曲強度的失效概率低于 1/ 3； 該齒輪只能在轉(zhuǎn)速大于等于2 000 r/ min 時才能工作。顯然電機在額定功率下工作， 減速器中的螺旋傘齒輪強度是不夠的。
2. 2 螺旋傘齒輪模數(shù)推算
根據(jù)我國設(shè)計規(guī)范， 按！機械設(shè)計手冊？第三卷表 23. 4- 22 錐齒輪設(shè)計公式， 螺旋傘齒輪模數(shù)推算。根據(jù)以上參數(shù)對錐齒輪的強度進行初步計算， 得出的結(jié)果是模數(shù)應(yīng)大于 9. 8， 但目前 V6 螺旋錐齒輪的模數(shù)為 8. 11
2. 3 軋機實際負荷分析
摩根公司提供的部分軋機設(shè)計負荷及安全系數(shù)， 如果按照電機輸出功率 P = 400 kW、轉(zhuǎn)速 n= 1 200 r/ min 計算， 螺旋錐齒輪的扭矩計算值為 3 183. 3 N？m， 顯然超過摩根公司的設(shè)計最大扭矩。目前高線軋機實際負荷在摩根公司設(shè)計范圍之內(nèi)。1999 年 10 月 12 日測得負荷情況， 當(dāng)時生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格為 13 mm，鋼號為GK4285（ 82B） ， 軋制速度為設(shè)計值的 85%.
2 4 強度分析小結(jié)
根據(jù)軋機的實際負荷， 我們可以看到， 摩根公司設(shè)計的減速器中的螺旋傘齒輪的強度是滿足要求的， 而驅(qū)動電機的功率選得偏大， 形成了 大馬拉小車？的狀況， 如果遇到軋制力意外增大， 就有可能造成齒輪的失效。從計算結(jié)果看， 這對螺旋傘齒輪的彎曲疲勞強度相對偏低， 如何提高齒輪的彎曲疲勞強度是我們的目標(biāo)。
3 齒輪加工工藝與材料熱處理分析
3. 1 輪齒加工情況分析
根據(jù)摩根公司提供的圖紙， 原設(shè)計錐齒輪的齒形采用等高齒， 即為克林格貝爾齒形。而我們現(xiàn)用的錐齒輪采用格利森齒形， 這是一種等間隙收縮齒。兩者相比， 等高齒加工容易， 但小端易產(chǎn)生根切并降低強度， 格利森齒需專門機床加工。
從強度方面考慮， 當(dāng)小齒輪齒數(shù)少時， 格利森齒形要優(yōu)于等高齒。從失效錐齒輪的加工情況看， 齒根過渡圓弧較小， 粗糙度較低， 為了提高齒輪的彎曲強度齒根應(yīng)采用大圓弧過渡， 并對齒輪的齒根進行噴丸處理。
3. 2 材質(zhì)分析
摩根公司設(shè)計的材質(zhì)是美國的 G43200， 相當(dāng)于我國的 20CrNi2Mo， 但從國內(nèi)目前齒輪材料研究情況看， 建議采用 17CrNiMo6 或 16NCD13， 它們熱處理的淬透性和H lim、F lim、FE都比較好； 另外齒坯的鍛造比不得小于 3.
3. 3 熱處理分析
美國對 G43200 這種材料有四種熱處理方法：即 B1、B2、B4、C1.
B1 （（（ 從爐中取出直接在油中淬火， 然后300 （ 149 ） ） 回火。
B2 （（（ 單次淬火并回火， 以得到好的滲碳層和心部性能； 坑冷后再次加熱到 1 500 （ 816 ） ） ，油淬， 300 （ 149 ） ） 回火。
B4 （（（ 兩次淬火并回火， 以期最顯著地細化滲碳層和心部的晶粒?？永浜蠹訜岬?1 500（816 ） ） ， 油淬； 再加熱到 1 425 （ 774 ） ） ， 油淬；于 300 （ 149 ） ） 回火。
C1 （（（ 直接從滲碳爐中取出油淬， 450（ 232 ） ） 回火。
不同材料、不同熱處理工藝所得到的H lim、F lim和FE均不同。ISO6336. 5： 1996 規(guī)定： 各種材料熱處理的質(zhì)量等級有 4 種， 它們定義為：ML 表示對齒輪加工過程中材料質(zhì)量及熱處理工藝的一般要求；MQ 表示對有經(jīng)驗的制造者在一般成本下可以達到要求的等級；ME 表示必須具有高可靠度制造過程控制才能達到的等級；MX 表示對淬透性及金相組織有特殊考慮的調(diào)質(zhì)合金鋼的質(zhì)量要求。
對滲碳淬火鋼的H lim， 不同工藝要求達到的數(shù)值相差很大，ML 的H lim = 1 300 N/ mm 2，MQ 的H lim = 1 500 N/ mm 2， 而 ME 的H lim = 1 650 N/ mm 2。寶鋼高線采用的熱處理工藝是 C1 方法， 直接從滲碳爐取出油淬， 450 （ 232 ） ） 回火。這種熱處理方法可得到高的表面硬度， 但心部韌性不太好。只能達到ML 工藝標(biāo)準(zhǔn)。如果采用 B4 方法，兩次淬火并回火， 可以最顯著地細化滲碳層和心部性能， 達到MQ 工藝標(biāo)準(zhǔn)， 大大提高齒輪的承載能力。
4 改進措施
根據(jù)研究結(jié)果， 針對寶鋼高線粗中軋機主傳動錐齒輪彎曲強度設(shè)計偏低的問題， 我們對以后的備件制造和運行提出如下改善措施：
?。?1 ）齒輪材料可以采用 17CrNiMo6 或16NCD13， 熱處理工藝質(zhì)量按 MQ 控制。
（ 2） 齒輪加工
為了提高小齒輪的承載能力， 小齒輪可以采用正變位， 齒形可采用格利森齒形或格林貝爾齒形， 齒輪精度 6 級以上。
?。?3） 建議改善軋制工藝， 降低減速機負荷， 將設(shè)備故障報警參數(shù)設(shè)置為摩根提供的軋制力矩值。
根據(jù)上述改進措施， 和南京高速齒輪箱廠簽定技術(shù)協(xié)議， 研制了一對圓錐齒輪， 采用格林貝爾齒形， 材料為17CrNiMo6， 2000年年修被安裝在6V軋機的減速器上， 至今已經(jīng)運行一年多了， 效果良好， 達到了預(yù)定目標(biāo)。
