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電動閥門BA型齒輪箱故障分析及對策
[ 來自:不詳  閱讀:   時間:2021.07.02 ]
介紹了某化工裝置電動閥門的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、選型和結構形式等方面進行原因分析,并從齒輪箱的結構形式、齒輪嚙合位置及檢查維護制度等方面提出了改

介紹了某(mou)化(hua)工(gong)裝(zhuang)置電(dian)動閥門(men)的IB型齒(chi)輪箱中(zhong)錐齒(chi)輪、平(ping)面(mian)(mian)軸承及其軸套(tao)等(deng)主(zhu)要零(ling)部件損(sun)壞情況,從工(gong)況、選型和結構形式等(deng)方(fang)面(mian)(mian)進行原因分析(xi),并從齒(chi)輪箱的結構形式、齒(chi)輪嚙合位置及檢查維護制度等(deng)方(fang)面(mian)(mian)提出(chu)了改進的辦法,提高(gao)了電(dian)動閥的使(shi)用壽命。


1、概(gai)述

  隨著工(gong)業自動化(hua)控(kong)(kong)制技術(shu)的(de)日(ri)益發展,電(dian)(dian)力、冶金、石油(you)化(hua)工(gong)及(ji)環保等眾多行業使(shi)用電(dian)(dian)動裝置(zhi)來(lai)實現閥(fa)門(men)的(de)計算機(ji)程控(kong)(kong)、遙控(kong)(kong)及(ji)現場控(kong)(kong)制已經成為一種趨勢。由于(yu)齒(chi)輪箱(xiang)具有(you)改變傳動方向、增大轉動力矩和(he)減速等特(te)點(dian),一般要求較大啟閉力矩的(de)閥(fa)門(men)電(dian)(dian)動裝置(zhi)都會選(xuan)擇安裝齒(chi)輪箱(xiang),通過齒(chi)輪箱(xiang)將電(dian)(dian)動裝置(zhi)電(dian)(dian)機(ji)輸入的(de)高(gao)速低扭矩動力轉換成低速高(gao)扭矩的(de)啟閉力矩輸出,以達到高(gao)性價比組合(he)。因此,真空技術(shu)網(http://www.chvacuum.com/)認(ren)為齒(chi)輪箱(xiang)的(de)結構和(he)性能是電(dian)(dian)動裝置(zhi)及(ji)閥(fa)門(men)長期正常運(yun)行的(de)關(guan)鍵。


2、結構原理(li)

  BA型齒輪箱是一(yi)種多回轉電動(dong)(dong)(dong)(dong)閥門(men)齒輪箱,由(you)傳動(dong)(dong)(dong)(dong)軸、錐齒輪、傘(san)形(xing)(xing)(xing)齒輪、銅(tong)螺母、平面軸承、O形(xing)(xing)(xing)圈、托盤及軸承座(zuo)等組(zu)成(圖1)。電動(dong)(dong)(dong)(dong)裝置(zhi)通過(guo)傳動(dong)(dong)(dong)(dong)軸帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)錐齒輪轉動(dong)(dong)(dong)(dong),傘(san)形(xing)(xing)(xing)齒輪通過(guo)與錐齒輪的(de)嚙合(he)實(shi)現旋(xuan)轉運動(dong)(dong)(dong)(dong),銅(tong)螺母通過(guo)與傘(san)形(xing)(xing)(xing)齒輪的(de)花鍵連接實(shi)現轉動(dong)(dong)(dong)(dong),最后閥桿通過(guo)與銅(tong)螺母的(de)梯(ti)形(xing)(xing)(xing)螺紋配合(he)實(shi)現直線升降(jiang)運動(dong)(dong)(dong)(dong),從而控制了閥門(men)的(de)開(kai)啟或關閉。


直齒(chi)(chi)圓錐齒(chi)(chi)輪箱


1.傳(chuan)動(dong)軸 2.錐(zhui)齒(chi)輪 3.傘形(xing)齒(chi)輪 4.平面軸承(cheng) 5.銅螺母 6.閥桿安裝(zhuang)處 7.O形(xing)圈(quan) 8.托盤


圖1 直(zhi)齒(chi)圓(yuan)錐(zhui)齒(chi)輪箱


3、工況分析

  按照相關數(shu)據(ju)規定(ding),電動(dong)閥(fa)門IB型齒輪箱磨(mo)損件(jian)的(de)設計(ji)壽(shou)命周期為(wei)2萬圈(quan)(quan)。以電動(dong)閥(fa)門(14in.-300LB)為(wei)例,每4天開(kai)關一(yi)次,開(kai)關單行程為(wei)22.5圈(quan)(quan),每4天為(wei)45圈(quan)(quan),一(yi)年(nian)(nian)為(wei)4107圈(quan)(quan),按此計(ji)算至(zhi)少運行4.87年(nian)(nian)。根據(ju)裝置的(de)實際(ji)情況(kuang),發現(xian)齒輪箱沒(mei)有達(da)到使用(yong)壽(shou)命的(de)要(yao)求(qiu),使用(yong)1年(nian)(nian)后(hou)該批電動(dong)閥(fa)門連續出現(xian)多次齒輪箱損壞(huai)的(de)情況(kuang),損壞(huai)部件(jian)更換后(hou),2個(ge)月內又出現(xian)同樣的(de)問題。常見(jian)的(de)故障有錐齒輪大端的(de)磨(mo)損,銅螺母(mu)磨(mo)損,平(ping)面軸承及止推墊(dian)圈(quan)(quan)損壞(huai)及閥(fa)桿(gan)梯(ti)形螺紋(wen)損傷等現(xian)象(xiang)。


  (1)錐齒(chi)(chi)輪大端(duan)的磨損。錐齒(chi)(chi)輪大端(duan)的磨損約占整個齒(chi)(chi)長的1/5,嚙合部位磨損嚴(yan)重(圖2)。


 錐(zhui)齒輪大端磨損


圖2 錐齒輪大(da)端磨損(sun)


  (2)銅(tong)螺母(mu)磨(mo)損(sun)。銅(tong)螺母(mu)軸承座外圓及(ji)配合斷面均嚴重磨(mo)損(sun)(圖(tu)3)。


銅(tong)螺母磨損


圖3 銅螺母磨損


  (3)平面軸(zhou)承及止推(tui)(tui)墊(dian)圈(quan)損壞。止推(tui)(tui)墊(dian)圈(quan)摩擦面出現(xian)外低內(nei)高(gao)且變(bian)形量較大,單側(ce)面呈弧形。滾道磨(mo)損量外側(ce)大于內(nei)側(ce)。斷裂(lie)推(tui)(tui)力圈(quan)顏色發藍。保(bao)持(chi)架因旋(xuan)轉受阻,被(bei)擠(ji)而變(bian)形破裂(lie)(圖4)。


平面軸承及(ji)止(zhi)推墊圈(quan)損壞


圖4 平面軸承及止推墊圈損壞


  (4)閥(fa)桿(gan)(gan)梯形螺紋損傷。閥(fa)桿(gan)(gan)螺紋與銅螺母(mu)配合的梯形螺紋傳動面嚴重磨損(圖5)。


閥桿梯形螺紋損傷(shang)


圖5 閥桿梯(ti)形螺(luo)紋損傷


4、故障分析

4.1、電動(dong)傳動(dong)機構選型

  選取(qu)14in.(DN350)平行雙閘板(ban)閥(fa)(fa),驗證閥(fa)(fa)門軸(zhou)(zhou)向(xiang)力對平面軸(zhou)(zhou)承的磨損(sun)及其所造成的過(guo)早(zao)疲勞和(he)斷裂,核(he)算閥(fa)(fa)門開啟瞬時的總軸(zhou)(zhou)向(xiang)力和(he)閥(fa)(fa)門開啟扭矩(表(biao)1,表(biao)2),確定傳動機構軸(zhou)(zhou)向(xiang)力選擇的合理性,以及推力軸(zhou)(zhou)承滿足設計要求的情況。


表1 技術參(can)數


電動閥門IB型(xing)齒輪箱故障(zhang)分析及對策


表2 計(ji)算結果


電動閥(fa)門IB型齒輪(lun)箱故障分析(xi)及對(dui)策


  分析(xi)計(ji)算結果及齒(chi)輪(lun)箱參(can)數(最大可承受軸向(xiang)力(li)為177kN,額定扭(niu)矩(ju)為726N·m)可以得(de)出,齒(chi)輪(lun)箱的損壞不是由(you)于閥門的操作推力(li)或(huo)扭(niu)矩(ju)過大引起的,同時在選(xuan)型過程(cheng)中通過軸向(xiang)力(li)選(xuan)擇的電動(dong)傳動(dong)機構(gou)基本符(fu)合(he)電動(dong)裝置的要求。


4.2、軸承(cheng)及(ji)機(ji)座

  齒輪箱軸(zhou)承采用AXK型滾(gun)針(zhen)與保持(chi)架推(tui)力組件+AS系列兩(liang)件相同的止(zhi)推(tui)墊圈。軸(zhou)承外徑為70mm(14in.(DN350)閥(fa)門),軸(zhou)承能承受(shou)的最(zui)大靜(jing)載荷為254kN,而閥(fa)門在最(zui)大壓差下(xia)的開啟軸(zhou)向(xiang)力為56kN,由此可見(jian),若各滾(gun)針(zhen)均勻受(shou)力且(qie)重(zhong)心應(ying)在滾(gun)針(zhen)的長度中部的話(hua),其負(fu)載能力是足夠的。


  (1)軸(zhou)承與機座配置


  軸(zhou)承選用(yong)AS系列(lie)(lie)1mm厚彈簧鋼制成的(de)(de)止(zhi)推(tui)(tui)墊(dian)圈是(shi)為了(le)縮小軸(zhou)承軸(zhou)向(xiang)尺(chi)寸、解決機(ji)(ji)(ji)座(zuo)硬(ying)度不夠(gou)、不耐磨等問題。按照相(xiang)關數據規(gui)定(ding),AS系列(lie)(lie)止(zhi)推(tui)(tui)墊(dian)圈可以用(yong)作(zuo)(zuo)滾(gun)道,如果鄰近的(de)(de)設(she)備部件沒有(you)經過硬(ying)化,但(dan)有(you)足夠(gou)的(de)(de)剛(gang)性(xing)并且運(yun)行精(jing)度需(xu)求適中的(de)(de)情況下,AS系列(lie)(lie)墊(dian)圈可以用(yong)于(yu)(yu)提供經濟(ji)型軸(zhou)承的(de)(de)配置。但(dan)在選擇使用(yong)時未考慮到(dao)由于(yu)(yu)機(ji)(ji)(ji)座(zuo)面硬(ying)度低,當滾(gun)針在止(zhi)推(tui)(tui)墊(dian)圈上滾(gun)過時,出現軸(zhou)承止(zhi)推(tui)(tui)墊(dian)圈與機(ji)(ji)(ji)座(zuo)彈塑(su)性(xing)變形,相(xiang)當于(yu)(yu)在橡膠上放上一層較(jiao)薄(bo)的(de)(de)硬(ying)質金屬件,易(yi)造成軸(zhou)承損壞,并沒有(you)起到(dao)設(she)計規(gui)定(ding)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)。


  (2)軸承(cheng)運(yun)轉特(te)點(dian)


  滾(gun)(gun)針(zhen)推力軸承運轉時(shi)(shi),是一(yi)個圓柱體(ti)在(zai)(zai)圓環(huan)面上的(de)(de)(de)運動,內、外圓周(zhou)的(de)(de)(de)長(chang)是不(bu)相等的(de)(de)(de),若要使(shi)滾(gun)(gun)柱必(bi)須作圓周(zhou)運動,滾(gun)(gun)針(zhen)與止推墊圈之間必(bi)然(ran)存在(zai)(zai)滑動現象。滾(gun)(gun)針(zhen)要達到繞環(huan)形(xing)軌(gui)跡(ji)運行,只能依靠保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)來引導。這時(shi)(shi)滾(gun)(gun)針(zhen)的(de)(de)(de)中(zhong)心(xin)線與保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)中(zhong)心(xin)線必(bi)定會(hui)存在(zai)(zai)著角度偏差,而且滾(gun)(gun)針(zhen)對保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)存在(zai)(zai)著向(xiang)(xiang)(xiang)外的(de)(de)(de)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)力。當滾(gun)(gun)針(zhen)受力不(bu)均勻時(shi)(shi),滾(gun)(gun)針(zhen)對保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)向(xiang)(xiang)(xiang)外的(de)(de)(de)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)力不(bu)對稱,造成保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)趨向(xiang)(xiang)(xiang)偏移,內圈與銅(tong)套發生異常(chang)的(de)(de)(de)強(qiang)摩擦,保(bao)(bao)(bao)持(chi)架(jia)(jia)運行受阻(zu)及附加力最終導致(zhi)損壞。


  (3)止推墊圈(quan)斷(duan)口


  對損(sun)壞(huai)的(de)墊(dian)圈(quan)(quan)(quan)檢查發(fa)現內部有少量夾渣,斷(duan)(duan)口為擠壓碎(sui)裂(lie),硬(ying)度(du)為55HRC。分析(xi)得(de)出,斷(duan)(duan)裂(lie)原因(yin)主要是推(tui)(tui)力(li)(li)圈(quan)(quan)(quan)局部受(shou)壓后,彎曲應(ying)力(li)(li)集中(zhong)引起的(de)斷(duan)(duan)裂(lie)。軸(zhou)(zhou)承工作過(guo)程中(zhong),墊(dian)圈(quan)(quan)(quan)的(de)部分斷(duan)(duan)裂(lie)現象與支承推(tui)(tui)力(li)(li)圈(quan)(quan)(quan)的(de)基面硬(ying)度(du)、兩(liang)者之(zhi)間接觸面積、受(shou)力(li)(li)均勻度(du)有關(guan)。軸(zhou)(zhou)承止推(tui)(tui)墊(dian)圈(quan)(quan)(quan)的(de)自身剛性較差,軸(zhou)(zhou)承座(zuo)、銅套軸(zhou)(zhou)承機座(zuo)材(cai)料較軟,導致(zhi)軸(zhou)(zhou)承的(de)止推(tui)(tui)墊(dian)圈(quan)(quan)(quan)、滾針及保持架局部受(shou)力(li)(li)超(chao)出了設計載荷(he),潤滑被破壞(huai)而產生高溫、變形及損(sun)壞(huai),是齒輪箱損(sun)壞(huai)的(de)主要原因(yin)之(zhi)一。


4.3、齒輪(lun)磨損

  檢查發現齒輪的嚙合位置均在大圓側,且小齒輪磨損嚴重,這是齒輪傳動中典型的齒輪不良接觸形式。正常的嚙合痕跡應該是小齒輪偏向小端接觸長度為有效齒長的2/3~3/4。而傘齒輪底面與托盤之間磨損異常,靠近錐齒輪側最深處有2mm(圖6)。由此可見,裝配時由于傳動軸軸向位置太靠近齒輪箱側,使得2個齒輪配合間隙非常的小,增加了對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其軸線受向上反作用力而彈性變形,僅大端參與了傳動,造成上述的故障現象。進一步加大了對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。


傘齒輪(lun)底面托(tuo)盤磨損(sun)


圖(tu)6 傘齒輪底面(mian)托(tuo)盤(pan)磨損


4.4、銅套及閥桿(gan)磨損

  由于傘齒輪傾(qing)覆力矩的(de)存在,迫使(shi)銅(tong)套與各相關零件(jian)發(fa)生磨(mo)損(sun)(sun)。磨(mo)損(sun)(sun)后的(de)磨(mo)屑(xie)掉入(ru)滾(gun)針(zhen)軸承(cheng)后在滾(gun)針(zhen)和止推墊圈(quan)之(zhi)間進行輾壓,從而導致(zhi)滾(gun)針(zhen)滾(gun)動受阻,使(shi)得保持架旋轉受阻被擠(ji)壓而損(sun)(sun)壞,加(jia)快了(le)滾(gun)針(zhen)軸承(cheng)內(nei)(nei)部(bu)件(jian)的(de)損(sun)(sun)壞。損(sun)(sun)壞部(bu)件(jian)的(de)小碎片擠(ji)出軸承(cheng)座(zuo)O形圈(quan)后,加(jia)入(ru)銅(tong)套內(nei)(nei)螺紋與閥桿(gan)的(de)磨(mo)損(sun)(sun)中,隨閥桿(gan)螺紋上升和下降,加(jia)速了(le)銅(tong)螺母內(nei)(nei)螺紋的(de)磨(mo)損(sun)(sun),同時(shi)也導致(zhi)了(le)閥桿(gan)螺紋表面(mian)的(de)劃傷,從而更加(jia)劇了(le)銅(tong)螺母的(de)磨(mo)損(sun)(sun)。


5、措施(shi)與對策(ce)

  (1)改進軸(zhou)承(cheng)形式


  優化(hua)齒輪箱(xiang)設計,將(jiang)滾針軸(zhou)(zhou)承更換為止推墊圈較(jiao)厚的(de)球面滾子推力軸(zhou)(zhou)承,可以解(jie)決(jue)由于機座較(jiao)軟,產生塑(su)性變形的(de)問題。若是臨時措施,將(jiang)平面滾針軸(zhou)(zhou)承更換為具有良好(hao)潤滑作用的(de)平墊片也可。


  (2)選擇合理開關力(li)矩


  電動閥(fa)門采用的(de)是力矩(ju)(ju)和行程(cheng)限位相結合的(de)方式。在閥(fa)門調(diao)試(shi)過程(cheng)中,保證閥(fa)門密封(feng)性的(de)同時,盡可能的(de)將(jiang)其開關閥(fa)門的(de)力矩(ju)(ju)設定值降低,以減少閥(fa)門開關時對齒輪箱的(de)沖擊(ji)。


  (3)調整齒輪嚙(nie)合位(wei)置(zhi)


  調整齒(chi)間的(de)嚙(nie)合(he)位(wei)置,同(tong)時控制電機(ji)軸對錐齒(chi)輪軸軸向(xiang)位(wei)移(yi)的(de)干擾,減小(xiao)傘齒(chi)輪軸向(xiang)力及非旋轉方向(xiang)傾覆(fu)力矩(ju)。


  (4)定(ding)期檢查維護


  定期檢查(cha)閥桿潤滑脂內有無銅(tong)屑(xie),拆開齒輪箱(xiang)上蓋,檢查(cha)齒輪嚙合的(de)位置。


6、結(jie)語(yu)

  改(gai)(gai)進后,電動閥(fa)門齒輪(lun)箱運行半年后各部件運行良好,經檢查未發現嚴重磨損和(he)損壞情況。通過此次故障分析和(he)技術改(gai)(gai)造,為閥(fa)門電動裝置(zhi)的(de)設(she)計(ji)與選型提供了合理的(de)參數(shu)和(he)依據,為化(hua)工(gong)裝置(zhi)長(chang)周期(qi)運行積累了技術知識和(he)實際經驗。

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