進(jìn)口立磨減速機(jī)推力瓦及偶件損壞原因分析

冉學(xué)平¹　馬海軍²　劉旭¹　楊建平²　岳智慧²　劉維²

（1.成都名辰傳動(dòng)設(shè)備有限公司；2.四川理工技師學(xué)院）

摘　要：某進(jìn)口立磨減速機(jī)推力瓦及其調(diào)整墊、瓦座三者間高強(qiáng)度連接螺栓松動(dòng)及斷裂，不是材料、制造工藝和安裝質(zhì)量等因素導(dǎo)致的，而是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足造成的氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生完全屬于Z源頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，即推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合太緊密，基本沒有間隙。維修時(shí)改變推力瓦座結(jié)構(gòu)，增大推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合間隙，消除氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的先決條件，維修后運(yùn)行效果良好，運(yùn)行半年后未見異常。

關(guān)鍵詞：減速機(jī)；推力瓦；氣蝕

0　引言

立磨作為一種粉磨設(shè)備，在礦山、火電、水泥生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外立磨減速機(jī)皆由箱體、行星架、齒輪、軸及軸承等組成[1]。當(dāng)前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)立磨減速機(jī)國(guó)產(chǎn)化，且設(shè)計(jì)制造水平已得到國(guó)內(nèi)外工程界的認(rèn)可。

某進(jìn)口大型立磨減速機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)分為三級(jí)傳動(dòng)，級(jí)為錐齒輪副傳動(dòng)，第二、三級(jí)皆為行星周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[2]。該減速機(jī)經(jīng)過(guò)幾代改進(jìn)設(shè)計(jì)制造，可靠性越來(lái)越高，但推力瓦、推力瓦調(diào)整墊、推力瓦座三者間高強(qiáng)度連接螺栓松動(dòng)及斷裂已成普遍現(xiàn)象[3]。國(guó)內(nèi)某大型集團(tuán)使用的7臺(tái)同類機(jī)型就是如此，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，將螺栓個(gè)數(shù)增加到6個(gè)，螺栓直徑增大到M24，性能等級(jí)提高到12.9，該情況仍未得到解決，給立磨減速機(jī)的使用帶來(lái)了極大隱患，原廠家派出多批服務(wù)工程師及專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，但始終未給出合理解釋。

我公司于2020年4月接到該立磨主減速機(jī)維修任務(wù)，認(rèn)真研究，找到了解決該問(wèn)題的有效辦法，本文對(duì)此進(jìn)行總結(jié)。

1　推力瓦瓦面高度檢測(cè)

我公司于2020年4月中旬對(duì)某公司進(jìn)口生料立磨主減速機(jī)進(jìn)行了解體維修。立磨減速機(jī)中12塊推力瓦呈圓周分布，其分布示意圖見圖1。

圖1 推力瓦分布示意圖

在回裝推力瓦前，觀察12塊推力瓦合金面接觸痕跡，依據(jù)瓦面接觸印痕判定減速機(jī)在使用時(shí)瓦面高度是基本一致的。推力瓦、推力瓦調(diào)整墊及推力瓦座安裝后結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 推力瓦安裝結(jié)構(gòu)示意圖

12塊推力瓦中，9號(hào)推力瓦瓦座有裂紋，由于不清楚原始廠家制造工藝，為了驗(yàn)證瓦座開裂后是否因?yàn)楫a(chǎn)生裂紋而釋放內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致瓦座變形，故在裝配時(shí)對(duì)所有推力瓦瓦面高度（即瓦面共面度）都進(jìn)行了初步檢測(cè)。檢測(cè)方法：用1 500 mm游標(biāo)卡尺貼實(shí)兩塊瓦面，兩人用手壓緊游標(biāo)卡尺兩端，另一人用0.03 mm的塞尺檢測(cè)，都未能塞出間隙；對(duì)于9號(hào)瓦，我們從8號(hào)及10號(hào)瓦兩個(gè)方向都進(jìn)行了檢測(cè)，亦未測(cè)出間隙。這種檢測(cè)方法對(duì)于高差較大的間隙是很容易檢測(cè)出來(lái)的，0.03 mm的塞尺塞不出間隙則理論上來(lái)說(shuō)高差應(yīng)該在0.02 mm以內(nèi)。

油壓檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)各推力瓦間高壓油壓力差異較大，停機(jī)放油后對(duì)推力瓦與輸出法蘭的間隙進(jìn)行了再次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2、3、8、9號(hào)瓦分別能塞進(jìn)0.20 mm、0.20 mm、0.25 mm及0.40 mm的塞尺，表明這種狀況下2、3、8、9號(hào)瓦面分別低了0.10 mm、0.10 mm、0.125 mm及0.20 mm。然后我們又把磨輥落下，再依次用塞尺檢測(cè)，結(jié)果所有瓦面與輸出法蘭之間都沒有了間隙，表明這種情況下，所有瓦面高度基本一致。

2　推力瓦座損壞原因分析

2.1 氣蝕現(xiàn)象

氣蝕現(xiàn)象是指流體中的氣泡在壓力、速度達(dá)到臨界值時(shí)瞬間潰滅，在潰滅瞬間產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，氣泡破裂瞬間所有的能量集中在破裂點(diǎn)上，產(chǎn)生幾千牛頓甚至更高的沖擊力，沖擊力的壓力高達(dá)2 000 MPa以上，大大超過(guò)了大部分金屬材料的疲勞破壞極限，固體表面在經(jīng)受這種高沖擊力的多次反復(fù)作用下，材料發(fā)生疲勞剝落，使表面形成小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿塊狀；同時(shí)由于氣泡潰滅瞬間產(chǎn)生的高溫使得夾帶在氣泡內(nèi)的少量氧氣等活潑氣體對(duì)金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕會(huì)加速氣蝕的破壞作用。

流體中氣泡的形成：當(dāng)液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時(shí)，將在固體表面附近形成氣泡[4]。氣蝕通常發(fā)生在離心泵葉輪（液體流入和流出端速度和壓力產(chǎn)生急劇變化）和閥門（液體流過(guò)節(jié)流孔前后流道面積的變化會(huì)導(dǎo)致速度與壓力的急劇變化），在其它情況下很少發(fā)生。

2.2 潤(rùn)滑油的粘壓特性

潤(rùn)滑油的粘壓特性是指潤(rùn)滑油的粘度隨著壓力變化而變化的特性[5]。當(dāng)壓力變化較小時(shí)，潤(rùn)滑油粘度變化甚微，基本可忽略不計(jì)；當(dāng)壓力變化較大超過(guò)20 MPa時(shí)，潤(rùn)滑油的粘度會(huì)隨壓力增大而成指數(shù)級(jí)增大[6]。即：

vp=v0ebp   （1）

式中：

v0—壓力為105 Pa時(shí)的粘度值；

vp—相對(duì)壓力為p時(shí)的粘度值；

b—與油液有關(guān)的系數(shù)；

p—介質(zhì)壓力。

正因?yàn)闈?rùn)滑油的粘壓特性，所以重載齒輪副傳動(dòng)，在主、從動(dòng)齒輪齒面足夠光滑的情況下，潤(rùn)滑油足以把相互嚙合的一對(duì)輪齒隔開自身也不會(huì)破裂，即形成一薄層高壓潤(rùn)滑油膜。因此，齒輪副傳動(dòng)時(shí)只要潤(rùn)滑不失效，輪齒表面磨成鏡面后磨損就自然終止了。

2.3 推力瓦、推力瓦座及推力瓦調(diào)整墊氣蝕現(xiàn)象

如圖3、圖4、圖5所示，分別為推力瓦背面、推力瓦座、推力瓦調(diào)整墊，圖6為典型氣蝕現(xiàn)象。通過(guò)圖3～圖6腐蝕現(xiàn)象對(duì)比，圖3～圖5的腐蝕現(xiàn)象明顯就跟圖6一樣屬于氣蝕現(xiàn)象。通過(guò)圖4與圖5腐蝕區(qū)形狀對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其腐蝕區(qū)形狀完全一致，這就說(shuō)明圖4與圖5即推力瓦座與推力瓦調(diào)整墊的損壞并非由于原料及制造工藝不合格導(dǎo)致的損傷，損傷區(qū)域一致說(shuō)明他們損傷區(qū)域之間相互發(fā)生了反復(fù)沖擊力作用，且該沖擊力的大小超越了其材料的疲勞極限。

圖3 推力瓦背面圖

圖4即推力瓦座產(chǎn)生了裂紋，且裂紋深度達(dá)到了20 mm左右，參見圖7裂紋無(wú)損探傷圖片。裂紋基本處在損傷Z嚴(yán)重幾個(gè)區(qū)域的對(duì)稱中心線上，因?yàn)樵趦蛇吺┘訅毫r(shí)在對(duì)稱中心線上產(chǎn)生的彎矩大，在持續(xù)反復(fù)作用下材料容易從應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋。應(yīng)力集中因素很多，材料缺陷、加工粗糙度、退刀槽、倒角、圓弧、臺(tái)階過(guò)度處等等，當(dāng)然在壓力超過(guò)材料疲勞極限時(shí)即使沒有應(yīng)力集中的因素，久而久之材料也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。故推力瓦座的損傷也并非是材料與制造工藝原因?qū)е隆?/p>

圖4 推力瓦座

圖5 推力瓦調(diào)整墊

推力瓦調(diào)整墊裝配在推力瓦與推力瓦座之間，且推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合非常緊密，基本沒有間隙，我們?cè)诓鹦兜臅r(shí)候就是用螺釘通過(guò)頂絲孔強(qiáng)頂出來(lái)的。

在減速機(jī)使用過(guò)程中，整個(gè)推力瓦浸泡在油中，推力瓦與推力瓦座之間又形成了非常狹小的透氣間隙，當(dāng)油在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時(shí)，便在固體表面附近形成大量氣泡，這就為氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生創(chuàng)造了天然條件。

3  落磨輥前后測(cè)量數(shù)據(jù)差異原因分析

落磨輥前后測(cè)量數(shù)據(jù)差異是怎么產(chǎn)生的？通過(guò)前面的分析我們已經(jīng)明確了推力瓦、推力瓦調(diào)整墊及推力瓦座之間已經(jīng)產(chǎn)生了氣蝕現(xiàn)象。

圖6 典型氣蝕現(xiàn)象圖

圖7 推力瓦座無(wú)損探傷

落磨輥前施加給推力瓦的壓力是由行星架與輸出法蘭組件重力（G₁）加上磨盤重力（G₂）所致，由于推力瓦、推力瓦調(diào)整墊及推力瓦座之間的氣蝕現(xiàn)象，氣泡在G₁+ G₂作用下還沒有達(dá)到讓氣泡潰滅的臨界條件，氣泡在G₁+G₂作用下壓迫包裹它的潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油由于推力瓦與推力瓦座之間形成的狹小的緊密縫隙又無(wú)法及時(shí)排出，同時(shí)又因?yàn)闈?rùn)滑油的粘壓特性，氣泡施加給潤(rùn)滑油的壓力越大，潤(rùn)滑油粘度會(huì)變得越高，始終不會(huì)破裂，故在氣泡作用下拉長(zhǎng)推力瓦安裝座螺栓使其產(chǎn)生彈性變形而將輸出法蘭抬了起來(lái)。由于12塊瓦各自條件不一，氣蝕程度也不盡相同（維修過(guò)程中，觀察拆開后的推力瓦、推力瓦調(diào)整墊及推力瓦座，全都有氣蝕現(xiàn)象，但氣蝕程度不盡相同），故輸出法蘭在各點(diǎn)被舉升的高度也有差異，從而導(dǎo)致了推力瓦與輸出法蘭之間間隙的產(chǎn)生。

在落磨輥后，由于磨輥重力（G₃?遠(yuǎn)大于G₁+G₂，氣泡在G₁+ G₂+G₃合力作用下終于達(dá)到讓氣泡潰滅的臨界條件，于是氣泡潰滅，輸出法蘭就落在了推力瓦支撐面上。這時(shí)候再去檢測(cè)輸出法蘭與推力瓦面之間是否有間隙，測(cè)量結(jié)果就是真實(shí)值。

氣泡產(chǎn)生與潰滅這一氣蝕現(xiàn)象，?是高強(qiáng)度推力瓦安裝螺栓松動(dòng)甚至斷裂的根本原因。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，某進(jìn)口立磨減速機(jī)推力瓦、推力瓦調(diào)整墊、推力瓦座三者間高強(qiáng)度連接螺栓松動(dòng)及斷裂現(xiàn)象不是材料、制造工藝和安裝質(zhì)量等因素導(dǎo)致的，而是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足造成的氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生完全屬于Z源頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，即推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合太緊密，基本沒有間隙。維修時(shí)改變推力瓦座結(jié)構(gòu)，增大推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合間隙，消除氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的先決條件，維修后運(yùn)行效果良好，運(yùn)行半年后未見異常。

參考文獻(xiàn)

[1] Hu L , Han-You R , Jian-Feng D , et al. Design and application of vertical mill reducer[J]. Heavy Machinery, 2011.

[2] 孫惢. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析方法研究[D].東北大學(xué),2011.

[3] 韓翠英.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪損壞原因及解決方式[J].煤礦機(jī)械,2012,33(11):230-232.

[4] 殷財(cái)輝,李錫恩.翅片式散熱器氣蝕研究[J].設(shè)備管理與維修,2018(02):72-73.

[5] 祁海洋. 高壓旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的研制及合成油壓粘特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[6] 張植忠. 核主泵推力滑動(dòng)軸承流體動(dòng)力潤(rùn)滑分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].湘潭大學(xué),2015.

來(lái)源：《新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)》2021年第5期