電動(dòng)閥門(mén)IB型齒輪箱故障分析及對(duì)策

　　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(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行原因分析，并從齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式、齒輪嚙合位置及檢查維護(hù)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(xiàn)閥門(mén)的計(jì)算機(jī)程控、遙控及現(xiàn)場(chǎng)控制已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。由于齒輪箱具有改變傳動(dòng)方向、增大轉(zhuǎn)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(jī)輸入的高速低扭矩動(dòng)力轉(zhuǎn)換成低速高扭矩的啟閉力矩輸出，以達(dá)到高性價(jià)比組合。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為齒輪箱的結(jié)構(gòu)和性能是電動(dòng)裝置及閥門(mén)長(zhǎng)期正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

2、結(jié)構(gòu)原理

　　IB型齒輪箱是一種多回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)，傘形齒輪通過(guò)與錐齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銅螺母通過(guò)與傘形齒輪的花鍵連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后閥桿通過(guò)與銅螺母的梯形螺紋配合實(shí)現(xiàn)直線升降運(yùn)動(dòng)，從而控制了閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

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(shù)據(jù)規(guī)定，電動(dòng)閥門(mén)IB型齒輪箱磨損件的設(shè)計(jì)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(jì)算至少運(yùn)行4.87年。根據(jù)裝置的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)齒輪箱沒(méi)有達(dá)到使用壽命的要求，使用1年后該批電動(dòng)閥門(mén)連續(xù)出現(xiàn)多次齒輪箱損壞的情況，損壞部件更換后，2個(gè)月內(nèi)又出現(xiàn)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(xiàn)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(zhǎng)的1/5，嚙合部位磨損嚴(yán)重(圖2)。

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(yán)重磨損(圖3)。

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(xiàn)外低內(nèi)高且變形量較大，單側(cè)面呈弧形。滾道磨損量外側(cè)大于內(nèi)側(cè)。斷裂推力圈顏色發(fā)藍(lán)。保持架因旋轉(zhuǎn)受阻，被擠而變形破裂(圖4)。

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(yán)重磨損(圖5)。

圖5 閥桿梯形螺紋損傷

4、故障分析

4.1、電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型

　　選取14in.(DN350)平行雙閘板閥，驗(yàn)證閥門(mén)軸向力對(duì)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(jī)構(gòu)軸向力選擇的合理性，以及推力軸承滿足設(shè)計(jì)要求的情況。

表1 技術(shù)參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

　　分析計(jì)算結(jié)果及齒輪箱參數(shù)(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(jī)構(gòu)基本符合電動(dòng)裝置的要求。

4.2、軸承及機(jī)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(yīng)在滾針的長(zhǎng)度中部的話，其負(fù)載能力是足夠的。

　　(1)軸承與機(jī)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(jī)座硬度不夠、不耐磨等問(wèn)題。按照相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)定，AS系列止推墊圈可以用作滾道，如果鄰近的設(shè)備部件沒(méi)有經(jīng)過(guò)硬化，但有足夠的剛性并且運(yùn)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(jì)型軸承的配置。但在選擇使用時(shí)未考慮到由于機(jī)座面硬度低，當(dāng)滾針在止推墊圈上滾過(guò)時(shí)，出現(xiàn)軸承止推墊圈與機(jī)座彈塑性變形，相當(dāng)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(shè)計(jì)規(guī)定的作用。

　　(2)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)

　　滾針推力軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，是一個(gè)圓柱體在圓環(huán)面上的運(yùn)動(dòng)，內(nèi)、外圓周的長(zhǎng)是不相等的，若要使?jié)L柱必須作圓周運(yùn)動(dòng)，滾針與止推墊圈之間必然存在滑動(dòng)現(xiàn)象。滾針要達(dá)到繞環(huán)形軌跡運(yùn)行，只能依靠保持架來(lái)引導(dǎo)。這時(shí)滾針的中心線與保持架中心線必定會(huì)存在著角度偏差，而且滾針對(duì)保持架存在著向外的徑向分力。當(dāng)滾針受力不均勻時(shí)，滾針對(duì)保持架向外的徑向力不對(duì)稱，造成保持架趨向偏移，內(nèi)圈與銅套發(fā)生異常的強(qiáng)摩擦，保持架運(yùn)行受阻及附加力最終導(dǎo)致?lián)p壞。

　　(3)止推墊圈斷口

　　對(duì)損壞的墊圈檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)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(yīng)力集中引起的斷裂。軸承工作過(guò)程中，墊圈的部分?jǐn)嗔熏F(xiàn)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(jī)座材料較軟，導(dǎo)致軸承的止推墊圈、滾針及保持架局部受力超出了設(shè)計(jì)載荷，潤(rùn)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(xiàn)齒輪的嚙合位置均在大圓側(cè)，且小齒輪磨損嚴(yán)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(yīng)該是小齒輪偏向小端接觸長(zhǎng)度為有效齒長(zhǎng)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(cè)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(cè)，使得2個(gè)齒輪配合間隙非常的小，增加了對(duì)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(duì)其軸線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(xiàn)象。進(jìn)一步加大了對(duì)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。

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(dǎo)致滾針滾動(dòng)受阻，使得保持架旋轉(zhuǎn)受阻被擠壓而損壞，加快了滾針軸承內(nèi)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(nèi)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(nèi)螺紋的磨損，同時(shí)也導(dǎo)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(duì)策

　　(1)改進(jìn)軸承形式

　　優(yōu)化齒輪箱設(shè)計(jì)，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(jī)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(rùn)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(jié)合的方式。在閥門(mén)調(diào)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(shè)定值降低，以減少閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)齒輪箱的沖擊。

　　(3)調(diào)整齒輪嚙合位置

　　調(diào)整齒間的嚙合位置，同時(shí)控制電機(jī)軸對(duì)錐齒輪軸軸向位移的干擾，減小傘齒輪軸向力及非旋轉(zhuǎn)方向傾覆力矩。

　　(4)定期檢查維護(hù)

　　定期檢查閥桿潤(rùn)滑脂內(nèi)有無(wú)銅屑，拆開(kāi)齒輪箱上蓋，檢查齒輪嚙合的位置。

6、結(jié)語(yǔ)

　　改進(jìn)后，電動(dòng)閥門(mén)齒輪箱運(yùn)行半年后各部件運(yùn)行良好，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)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(shè)計(jì)與選型提供了合理的參數(shù)和依據(jù)，為化工裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行積累了技術(shù)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。