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JLP250减速机行星轮开裂原因分析
  一、引言:
  当今,立磨已成为水泥企业主要粉磨设备,多用于生料和煤粉粉磨,其运行的好坏直接影响企业效益,其重要程度不言而喻。但近些年来,立磨减速机事故频发,特别是其行星机构中的行星轮断齿、开裂事故经常发生,直接影响生产和企业效益。现就JLP250减速机行星轮开裂的原因进行分析,望能对制造厂家和使用单位起到借鉴作用。
  二、JLP250B立磨减速机的运行情况及基本参数
  JLP250减速机,装机容量2500kW,速比33.01,输入转速990rpm,该机2013年10月投运,运行起初,除因原料易磨性及操作熟练程度影响振动较大外,其它时间一直运行良好,振动速度一直在3.5mm/s以下,运行功率一直在2000KW以内,即使在振动跳停的情况下,也未出现过超载现象。
  2017年8月15日,在立磨的一角发现有激震现象,两天后又消失,由于当时振动参数均为超限,也没有引起重视;8月27日,中控人员发现减速机进轴处水平振动由平时的2.1mm/s增大到3mm/s,遂将辊压由7.5MPa降到5.5MPa减产运行,没有料到7小时后,总降跳闸,全厂停电;经检查发现生料磨减速机已经卡死,分析认为减速机故障致使电机堵转所致。
  三、JLP250B减速机的损坏情况
  3.1损坏情况介绍:
  将减速机拉出,从上往下打开,发现四个行星轮的两个已经粉碎性开裂;一个裂成两半,一个出现裂纹,内齿圈断齿数个,太阳轮断齿3个;行星轮轴承均已散架损坏,个别滚动体也裂为两半。如下照片。
  从照片上可以看出,太阳轮、内齿圈、轴承损坏的断口,均为新口,表面粗糙,漏出金属光泽。行星轮的断口,部分光滑发暗,居齿轮内侧,但没有明显的贝壳纹;部分粗糙,居齿轮外侧,有金属光泽。行星轮内孔与轴承外套接触部分有明显的相对滑动造成的拉伤痕迹,沟深0.2mm左右,颜色发蓝清晰。
  3.2减速机损坏原因的表观分析:
  从行星轮的断口形式分析,发暗说明曾经遇到过高温,且伴随有润滑油中极压剂的沉积;断口发蓝说明在断裂过程中有大量的热量生成,造成金属变色;光滑且没有明显的贝壳纹,符合脆性材料疲劳断裂特征;行星轮的新鲜断口,应为裂纹发展到一定程度,剩余部分超过强度极限而造成的突然断裂。
  从减速机的其它部件即内齿圈、太阳轮的损坏断口看,全为新口,应为突然过载,造成的突然断裂,可以理解为行星轮断裂碎片挤压所致,从图片中看到断齿周边挤压的金属碎片,也就证明了这一点。轴承的散架与变色,说明轴承曾经发过热,也说明轴承也有运转不灵活的经历,轴承内外套及个别滚动体开裂及表现出的新鲜断口,分析认为是齿轮断裂后挤压所致。
  四、行星轮的受力分析及应力计算:
  4.1减速机零部件的基本参数:
  减速机型号JLP250B,装配功率2500kW;高速轴转速990rpm;减速机速比:33.033
  一级螺旋伞小齿轮齿数Z1.1=22
  一级大伞齿轮齿数Z1.2=46
  二级小齿轮齿数Z2.1=22
  二级大齿轮齿数Z2.2=69
  三级太阳轮齿数Z3.1=27;m=14 分度圆直径:d5=378mm=0.378m
  行星轮(4件)Z3.2=41 m=14 分度圆直径:d6=574mm=0.574m
  内齿圈Z3.3=109 m=14 分度圆直径:d7=1526mm=1.256m
  i1=46/22=2.091;i2=69/22=3.1364;
  i3=109/27+1=5.0370;
  行星轮太阳轮中心距:476mm
  4.2、行星轮的受力分析:
  首先,在太阳轮的推动下运转,受到周向力和径向力的作用,其二与内齿圈啮合,内齿圈的周向和径向反力作用其上,其三是行轮轴作用其上的索引力。
  (1)行星轮的周向力:
   太阳轮扭矩=9550×2500/990×i1×i2
  =158158.91(N.m)
   F周=0.25*158158.91/(0.5*0.378)
  =209104.91(N)
  =21239.08(Kg)
  测的行星轮齿宽330mm,壁厚50mm。
  则行星轮壁上应力为:21239.08/5/33=128.72(kg/cm2
  (2)行星轮轴牵引力:
  行星转架的扭矩:9550*2500/990*33.01=796074.49(N.m)=80819.75(Kg.m)
  行星轮与太阳轮的中心距:(27+41)*14/2=476(mm)
  每个行星轮轴的牵引力:80819.75*0.25/0.476=42447.35(kg)
  行星轮壁的应力:42447.35/5/33=257.26(kg/cm2
  (3)行星轮内壁与轴承温差60℃时对行星轮内壁的热涨应力:
  2.1*1000000*0.000012*60=1512(kg/cm2
  行星轮内壁与轴承温差40℃时对行星轮内壁的热应力:2.1*1000000*0.000012*40=1008(kg/cm2
  式中:2.1*1000000为钢的弹性模量
   0.0000012为钢的热胀系数
   看起来轴承与行星轮内壁温差较大时,行星轮内壁会因轴承的热涨产生很大的拉应力。
   综合:轴承与行星轮温差40℃时,行星轮内壁应力等于128.72+385.95+1008=1393.95(kg/cm2)。
   轴承与行星轮温差在60℃时,行星轮内壁应力等于128.72+385.95+1512=1897.95(kg/cm2)。
  五、行星轮开裂的原因分析:
  1、在撇开其它因素的情况下,行星轮壁的正常应力很小,不足以造成行星轮壁的开裂。
  2、在撇开其它因素的情况下,轴承与行星轮壁的温差较大时,能够产生很大的拉应力。
  因为齿轮的需用应力一般选取1500kg/cm2,所以当齿轮与轴承的温差大于40℃时,其产生的热涨力将会把齿轮撑裂。
  3、在材料及制造方面或许会存在微裂纹,会在脉冲负荷的作用下,使裂纹扩张。
  4、当轮壁温度较大时,快速冷却也会使轮壁内侧因急剧收缩产生表面裂纹。
  六、结束语:
  通过行星轮的断口观察及应力分析,认为行星轮壁厚较薄,当轴承不正常发热时,行星轮与轴承之间温差较大,其产生的温度应力很大,在齿轮的脉冲负荷冲击下,金属极易发生应力松弛、疲劳,致使行星轮开裂。建议设计、制造单位加厚行星轮壁厚,为防止不正常时的温差应力的破坏创造条件。
  作者:焦作坚固水泥有限公司 王占光 刘月梅
     金隅冀东       陈桂东
(来源:智慧水泥)
发布时间:2019-06-17


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