進口立磨減速機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.成都名辰傳動設(shè)備有限公司；2.四川理工技師學(xué)院）

摘　要：某進口立磨減速機推力瓦及其調(diào)整墊、瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂，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)計存在問題，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，維修后運行效果良好，運行半年后未見異常。

關(guān)鍵詞：減速機；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。國內(nèi)外立磨減速機皆由箱體、行星架、齒輪、軸及軸承等組成[1]。當(dāng)前，我國已實現(xiàn)立磨減速機國產(chǎn)化，且設(shè)計制造水平已得到國內(nèi)外工程界的認可。

某進口大型立磨減速機內(nèi)部傳動系統(tǒng)分為三級傳動，級為錐齒輪副傳動，第二、三級皆為行星周轉(zhuǎn)輪系傳動結(jié)構(gòu)[2]。該減速機經(jīng)過幾代改進設(shè)計制造，可靠性越來越高，但推力瓦、推力瓦調(diào)整墊、推力瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂已成普遍現(xiàn)象[3]。國內(nèi)某大型集團使用的7臺同類機型就是如此，經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計，將螺栓個數(shù)增加到6個，螺栓直徑增大到M24，性能等級提高到12.9，該情況仍未得到解決，給立磨減速機的使用帶來了極大隱患，原廠家派出多批服務(wù)工程師及專家現(xiàn)場調(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維修任務(wù)，認真研究，找到了解決該問題的有效辦法，本文對此進行總結(jié)。

1　推力瓦瓦面高度檢測

我公司于2020年4月中旬對某公司進口生料立磨主減速機進行了解體維修。立磨減速機中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在使用時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號推力瓦瓦座有裂紋，由于不清楚原始廠家制造工藝，為了驗證瓦座開裂后是否因為產(chǎn)生裂紋而釋放內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致瓦座變形，故在裝配時對所有推力瓦瓦面高度（即瓦面共面度）都進行了初步檢測。檢測方法：用1 500 mm游標(biāo)卡尺貼實兩塊瓦面，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，都未能塞出間隙；對于9號瓦，我們從8號及10號瓦兩個方向都進行了檢測，亦未測出間隙。這種檢測方法對于高差較大的間隙是很容易檢測出來的，0.03 mm的塞尺塞不出間隙則理論上來說高差應(yīng)該在0.02 mm以內(nèi)。

油壓檢測試驗時發(fā)現(xiàn)各推力瓦間高壓油壓力差異較大，停機放油后對推力瓦與輸出法蘭的間隙進行了再次檢測，發(fā)現(xiàn)2、3、8、9號瓦分別能塞進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，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、速度達到臨界值時瞬間潰滅，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上，產(chǎn)生幾千牛頓甚至更高的沖擊力，沖擊力的壓力高達2 000 MPa以上，大大超過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，進而發(fā)展成海綿塊狀；同時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金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕會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，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（液體流過節(jié)流孔前后流道面積的變化會導(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 潤滑油的粘壓特性

潤滑油的粘壓特性是指潤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，潤滑油粘度變化甚微，基本可忽略不計；當(dāng)壓力變化較大超過20 MPa時，潤滑油的粘度會隨壓力增大而成指數(shù)級增大[6]。即：

vp=v0ebp   （1）

式中：

v0—壓力為105 Pa時的粘度值；

vp—相對壓力為p時的粘度值；

b—與油液有關(guān)的系數(shù)；

p—介質(zhì)壓力。

正因為潤滑油的粘壓特性，所以重載齒輪副傳動，在主、從動齒輪齒面足夠光滑的情況下，潤滑油足以把相互嚙合的一對輪齒隔開自身也不會破裂，即形成一薄層高壓潤滑油膜。因此，齒輪副傳動時只要潤滑不失效，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。通過圖3～圖6腐蝕現(xiàn)象對比，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。通過圖4與圖5腐蝕區(qū)形狀對比發(fā)現(xiàn)，其腐蝕區(qū)形狀完全一致，這就說明圖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，且裂紋深度達到了20 mm左右，參見圖7裂紋無損探傷圖片。裂紋基本處在損傷Z嚴重幾個區(qū)域的對稱中心線上，因為在兩邊施加壓力時在對稱中心線上產(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、臺階過度處等等，當(dāng)然在壓力超過材料疲勞極限時即使沒有應(yīng)力集中的因素，久而久之材料也會產(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，我們在拆卸的時候就是用螺釘通過頂絲孔強頂出來的。

在減速機使用過程中，整個推力瓦浸泡在油中，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，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  落磨輥前后測量數(shù)據(jù)差異原因分析

落磨輥前后測量數(shù)據(jù)差異是怎么產(chǎn)生的？通過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滑油，潤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法及時排出，同時又因為潤滑油的粘壓特性，氣泡施加給潤滑油的壓力越大，潤滑油粘度會變得越高，始終不會破裂，故在氣泡作用下拉長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。由于12塊瓦各自條件不一，氣蝕程度也不盡相同（維修過程中，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?遠大于G₁+G₂，氣泡在G₁+ G₂+G₃合力作用下終于達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。這時候再去檢測輸出法蘭與推力瓦面之間是否有間隙，測量結(jié)果就是真實值。

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

4　結(jié)束語

綜上所述，某進口立磨減速機推力瓦、推力瓦調(diào)整墊、推力瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂現(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)計存在問題，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，維修后運行效果良好，運行半年后未見異常。

參考文獻

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來源：《新世紀水泥導(dǎo)報》2021年第5期