離心機(jī)差速器損壞原因分析與處理措施
技術(shù)支持
1 離心機(jī)簡(jiǎn)介
某公司SAN珠料生產(chǎn)過程中采用一種型號(hào)CHP5000MA臥式螺旋卸料沉降式離心機(jī)（以下簡(jiǎn)稱離心機(jī)），自1992年投入使用，用于SAN珠料的脫水干燥。
1.1 離心機(jī)的基本參數(shù)
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速2450r/min；分離因數(shù)Fr=3122；長(zhǎng)徑比λ=3；轉(zhuǎn)鼓半錐角α=10°；差轉(zhuǎn)速△n=44r/min（轉(zhuǎn)鼓超前）；轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑D=620mm；轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度L=1860mm（有效長(zhǎng)度）；單頭、右旋螺旋葉片。
1.2 離心機(jī)基本結(jié)構(gòu)
離心機(jī)由進(jìn)料管、液力耦合器、三角皮帶輪、左右軸承、螺旋輸送器、轉(zhuǎn)鼓、行星差速器、溢流擋板、機(jī)殼、扭矩機(jī)械保護(hù)裝置等部件組成。差速器是離心機(jī)上不可缺少的、精密、復(fù)雜核心部件，作用是在螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間形成一個(gè)較小的轉(zhuǎn)速差。差速器的可靠性直接影響離心機(jī)整機(jī)的工作能力和可靠性。該機(jī)采用漸開線行星齒輪差速器。
變速裝置為動(dòng)軸線輪系（也稱周轉(zhuǎn)輪系），雙級(jí)2K-H型傳動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓與變速箱內(nèi)齒b1相連，二者同步轉(zhuǎn)動(dòng)，一級(jí)行星輪架H1上裝有2個(gè)相同的行星輪c1，它同時(shí)與中心輪a1、內(nèi)齒輪b1嚙合，行星輪c1既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)，其公轉(zhuǎn)數(shù)就是二級(jí)行星傳動(dòng)中的中心輪a2的轉(zhuǎn)數(shù)；第二級(jí)行星輪c2與中心輪a2、內(nèi)齒輪b2嚙合，第二級(jí)行星輪架H2帶動(dòng)螺旋輸送器，這樣螺旋與轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
2 故障描述與原因分析
該離心機(jī)近年來故障頻發(fā)，平均1～3個(gè)月就要進(jìn)行一次較大檢修，嚴(yán)重影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。通過多次對(duì)該離心機(jī)解體檢修發(fā)現(xiàn)，設(shè)備損壞主要集中在一級(jí)行星齒輪、二級(jí)行星齒輪、行星齒輪滑動(dòng)軸承等處。
2.1 行星齒輪失效分析
行星齒輪為高速旋轉(zhuǎn)件，承受齒輪嚙合力和徑向推力。觀察行星輪斷口截面，發(fā)現(xiàn)其由舊裂紋發(fā)展而來。在各行星輪上，均發(fā)現(xiàn)有較多的微小裂紋，應(yīng)為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不斷承受交變應(yīng)力導(dǎo)致行星輪疲勞破壞。
2.2 行星輪滑動(dòng)軸承失效原因分析
解體差速器發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)軸承表面有較多腐蝕坑和徑向溝槽，有大量徑向微小裂紋，但強(qiáng)度明顯不足，甚至拆除后發(fā)生斷裂損壞。分析原因有4個(gè)。
（1）滑動(dòng)軸承為高速旋轉(zhuǎn)件，承受摩擦力和徑向離心力。差速器潤(rùn)滑為密閉系統(tǒng)，運(yùn)行中存在一定的溫度，同時(shí)在脈沖載荷、摩擦力、徑向離心力等的作用下，滑動(dòng)軸承表面受沖刷、氣蝕影響，產(chǎn)生腐蝕坑和微小裂紋。
（2）當(dāng)滑動(dòng)軸承表面徑向裂紋形成后，破壞了潤(rùn)滑油油膜的形成，降低了潤(rùn)滑效果，造成滑動(dòng)軸承受力集中，局部應(yīng)力增大，導(dǎo)致腐蝕坑和微小裂紋進(jìn)一步發(fā)展，軸承損壞。
（3）滑動(dòng)軸承油孔堵塞、油不清潔、裝配有毛刺、使用的工具抹布不干凈等也可能造成滑動(dòng)軸承損壞。
（4）行星輪滑動(dòng)軸承與軸之間的潤(rùn)滑油，受到離心力的作用，如果離開摩擦區(qū)將造成潤(rùn)滑不良，也可能造成滑動(dòng)軸承損壞，因此泄油不能太快，否則油會(huì)通過端面流失，造成潤(rùn)滑油不足。徑向間隙過大，也會(huì)加快潤(rùn)滑油的流失。
3 處理措施
3.1 行星齒輪改造
3.1.1 內(nèi)齒圈的設(shè)計(jì)加工
為了盡可能減少行星輪與內(nèi)齒輪之間的沖擊，在不產(chǎn)生內(nèi)嚙合齒輪干涉的前提下，應(yīng)盡量減少齒輪間隙，有效控制溫升和噪聲，提高齒輪壽命。為了提高齒圈的強(qiáng)度和耐磨性，選取35CrMo優(yōu)質(zhì)合金鋼先做調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到285HV，然后做氮化處理，硬度提高到700HV，熱處理后進(jìn)行磨削加工，制造前后對(duì)原材料多次探傷檢查，確保齒輪質(zhì)量。
3.1.2 行星齒輪選材
行星齒輪選20CrMnTi滲碳淬火，太陽輪圓柱齒輪38CrMoAl調(diào)質(zhì)氮化，這樣處理可以達(dá)到提高表面硬度增加耐磨性、提高心部強(qiáng)度的目的。
3.1.3 行星齒輪加工精度控制
如果齒輪精度低，在滑動(dòng)軸承和軸間產(chǎn)生的交變應(yīng)力將造成滑動(dòng)軸承快速磨損，使機(jī)構(gòu)失效。所以行星齒輪的精度應(yīng)嚴(yán)格控制在3～4級(jí)，每組行星齒輪的公法線誤差＜0.01mm，重量差＜0.8g。
3.1.4 行星齒輪平衡精度控制
對(duì)一、二級(jí)行星齒輪零部件分別做平衡處理，平衡精度G2.5級(jí)，整機(jī)平衡精度G2.5級(jí)。
3.2 行星輪滑動(dòng)軸承的校核
滑動(dòng)軸承失效的主要原因是磨損和咬焊，因此防止其失效的關(guān)鍵在于軸頸和軸瓦間能否形成油膜，并保證在運(yùn)行中油膜不發(fā)生破裂?；瑒?dòng)軸承的設(shè)計(jì)主要是在軸承直徑d和長(zhǎng)度l確定以后進(jìn)行工作能力的計(jì)算，即滿足3個(gè)條件：
（1）p≤[p]
（2）v≤[v]
（3）pv≤[pv]
對(duì)于不同材料制造成的滑動(dòng)軸承，以上3個(gè)許用條件不同，但至少應(yīng)滿足2個(gè)條件：
①許用比壓一般取[p]=3M～4.5MPa
②比壓與軸承線速度之積pv≤100M～150Mpa·m/s
3.2.1 行星輪離心力計(jì)算
（1）一級(jí)行星輪。行星輪質(zhì)量G1=3.5kg，中心距a1=120mm，轉(zhuǎn)速n1=2111r/min，一級(jí)行星輪離心力可用下式計(jì)算：
Fc1=G1×a1×（π×n1/30）2=3.5×0.12×（π×2111/30）2=20504N
（2）二級(jí)行星輪。行星輪質(zhì)量G2=8.45kg，中心距a2=125mm，轉(zhuǎn)速n2=2406r/min，二級(jí)行星輪離心力可用下式計(jì)算：
Fc2=G2×a2×（π×n2/30）2=8.45×0.125×（π×2406/30）2=65985N
3.2.1.2 一級(jí)傳動(dòng)行星輪滑動(dòng)軸承參數(shù)計(jì)算
一級(jí)行星齒輪滑動(dòng)軸承參數(shù)如下：直徑d1=123mm，長(zhǎng)度l1=54mm；一級(jí)行星齒輪對(duì)滑動(dòng)軸承徑向壓力：Fa1=Fc1=20504N；一級(jí)行星輪相對(duì)于齒輪架轉(zhuǎn)速：因?yàn)?/span>nH1=2111r/min，na1=0r/min，所以△nH1=2111r/min。
一級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承比p1=Fa1/（d1×l1）=20504/（123×54）=3.1MPa
一級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承軸承線速度v1=πd1△nH1/（60×103）=π×123×2111/（60×103）=13.59m/s
一級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承pv值為：p1×v1=3.1×13.59=42.13MPa·m/s
同前文敘述比較，p，pv值均滿足許用條件。
3.2.1.3 二級(jí)傳動(dòng)行星輪滑動(dòng)軸承參數(shù)計(jì)算
二級(jí)行星齒輪滑動(dòng)軸承參數(shù)如下：直徑d2=111mm，長(zhǎng)度l2=107mm；一級(jí)行星齒輪對(duì)滑動(dòng)軸承徑向壓力：Fa2=Fc2=65985N；二級(jí)行星輪相對(duì)于齒輪架轉(zhuǎn)速：因?yàn)?/span>nH2=2406r/min，na2=2111r/min，所以△nH2=295r/min。
二級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承比p2=Fa2/（d2×l2）=65985/（111×107）=5.56MPa
二級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承軸承線速度v2=πd2△nH2/（60×103）=π×111×295/（60×103）=1.71m/s
二級(jí)行星輪滑動(dòng)軸承pv值為：p2×v2=5.56×1.71=9.51MPa·m/s
同前述比較，p2值比許用值偏高，而線速度較低，二級(jí)傳動(dòng)行星輪滑動(dòng)軸承是重載低速，因此在選擇軸承材料時(shí)要考慮更大承受載荷材料。
3.2.2 行星輪滑動(dòng)軸承材料的選擇
分析進(jìn)口滑動(dòng)軸承材料，其中Cu為87.16%，Sn為5.68%，Zn＜0.2%，Pb為6.32%，接近于錫青銅。
因?yàn)閲?guó)內(nèi)無完全一樣的材料，因此在本次改造過程中，滑動(dòng)軸承采用新型軸承DU軸承（國(guó)內(nèi)一般稱之為聚四氟乙烯復(fù)合軸承），DU軸承耐重載低速，在0.005m/s時(shí)，壓力35M～56MPa，摩擦因數(shù)0.01～0.09，溫度可達(dá)280℃。DU以鋼為瓦背，中間為多孔性青銅（Cu89%，Sn11%）、浸漬聚四氟乙烯（PTFE）和Pb（20%）的混合物，厚約25um。也可以在滑動(dòng)軸承表面電鍍厚2～5um巴氏合金，承載能力為42M～52MPa。
在滑動(dòng)軸承加工制造過程中，經(jīng)過精加工的DU滑動(dòng)軸承表面使用專用的模具進(jìn)行研磨，磨料采用W5，研磨后滑動(dòng)軸承表面粗糙度Ra＜0.4um。由于差速器運(yùn)行過程中溫度較高，產(chǎn)生較大熱膨脹，行星輪軸、銷軸與滑動(dòng)軸承采用間隙配合，間隙0.08mm；滑動(dòng)軸承外表面的鍵槽頂部與行星輪內(nèi)孔鍵槽底部間隙0.04mm；滑動(dòng)軸承內(nèi)孔的圓度、圓柱度＜0.02mm；滑動(dòng)軸承內(nèi)孔對(duì)行星輪的同軸度＜0.02mm；滑動(dòng)軸承與輪架的軸向間隙0.1～0.14mm。差速器組裝到位后，整機(jī)徑向跳動(dòng)≤0.05mm。
4 結(jié)論
經(jīng)過對(duì)差速器行星輪及滑動(dòng)軸承的改進(jìn)，以及對(duì)工藝操作的優(yōu)化，大大改善了差速器的運(yùn)行狀態(tài)。改造完成連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月后，對(duì)離心機(jī)差速器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，差速器溫度64℃，溫升＜40℃，均在規(guī)定范圍內(nèi)。連續(xù)運(yùn)行1a，未發(fā)生因差速器引起的設(shè)備故障。因此，本次改造提高了差速器的運(yùn)行周期，離心機(jī)整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，符合企業(yè)長(zhǎng)周期生產(chǎn)要求。
