螺杆压缩机齿轮断齿分析

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1、螺杆压缩机齿轮断齿分析运行与应用运行与维修!"#$%&’()*+%’)&#)%),#螺杆压缩机齿轮断齿分析上海交通大学（上海200030）薛峰【摘要】根据某外资品牌的螺杆压缩机传动齿轮断齿的问题，针对其失效模式分析相关原因，提出了有关解决此问题的切实可行的办法。【关键词】失效分析齿轮断齿齿轮箱疲劳折断一、前言某外资品牌的螺杆压缩机出厂一年内，短的甚至在两个月内就出现齿轮断齿现象，且断齿都是发生在90kW到160kW的系列内，根据市场反馈，断齿率高达8%。另外，使人奇怪的是其他系列的齿轮尽管在原材料、加工工艺、热处理工艺等方面与断齿齿轮完全相同，但并未发现非正常断齿现象。首先对断

2、齿齿轮和现有库存齿轮的几何尺寸、形状误差精度进行了检查，未发现超差现象，接着对断齿齿轮的化学元素、金相组织、表面硬度、硬度梯度进行了检查，结果均合格。所有这些信息都在说明，齿轮断齿只是问题的外在表现，真正原因还需要做更深入的分析研究。二、传动结构分析90～160kW系列压缩机的主动齿轮由两端定心。右端通过主轴经SKF的22315E调心轴承定位于齿轮箱箱体上，再延伸经柔性联轴器和电动机相联。左端通过SKF的UN2308ECJ圆柱轴承定位于机头的从动螺杆。从动螺杆又通过机头箱孔中NU315E—TVP2轴承定位，如图1所示。这种结构固然紧凑，但是从机加工而言，机头（国外母公司制造）与

3、齿轮箱是分开加工的，两者的联结通过两个定位销定位。如此多的定位层次，再加上机头和齿轮箱的定位孔非一次性加工，使得装配精度难以保证，易造成定位误差。为验证以上分析，对机头箱从动螺杆与变速箱φ160H7孔同轴度误差测量，测量结果如表所示。图11.UN2308ECJ圆柱轴承4.齿轮箱（轴承孔）表根据设计规范，6级精度齿轮，定位孔同轴度亦须不低于6级精度，即机头箱从动螺杆轴中心与变速箱φ160H7孔中心同轴度允许的误差在0.015mm内。对生产现场装配好的机头与齿轮箱的主轴装联轴器的位置进行测量，发现外径跳动在0.02mm左右。据此，判断这种跳动是由不同轴度产生的。三、断齿分析图2为大

4、部分损伤齿轮的形貌。根据齿轮残留物判断，齿轮损伤形式属于折断。齿轮折断有两种形式：一种是疲劳折断，另一种是过载折断。疲劳折断的断口有两个区域：裂纹扩展区和瞬时折断区，如图2所示。裂纹源就位于呈贝壳纹状的疲劳扩2005年第3期传动结构图2.22315E调心轴承3.联轴器5.从动螺杆6.主动齿轮测量结果编号同轴度误差/mm测量对象来源10.05～0.10该外资品牌装配车间20.0730.0740.06市场返回的报废机头变速箱运行与应用运行与维修!"#$%&’()*+%’)&#)%),#展线。基准定心，而其内圈由机头定心）。图2疲劳折断断口而在受损齿轮的残留物中未发现上述疲劳折断的断

5、口特征。根据图3的形貌，其损伤处更多地接近过载折断。断口面呈粗糙晶粒状，在韧性断裂面上存在塑性变形痕迹，从图4a中可看出断齿大部分为角形折断。图3断口特征图4折断面情况（a）折断面（b）未折断面结合图4可知，齿轮一边的齿已大部分断掉（甚至有全部断掉的现象），另一边还保留着，且在残留的1/4齿长上，其齿面光亮如新，未见齿轮啮合痕迹，显然齿轮啮合存在严重的偏啮现象。因此，可以推断偏啮、冲击和过载可能是轮齿折断的直接原因。四、断齿原因根据前面对结构的分析可知，因定位层次较多，在批量生产条件下，难以完全保证各部件的同轴度，所以齿轮安装本身就存在偏啮的可能。涂色啮合试验结果证实了以上分析

6、，即部分齿轮的安装确实存在偏啮问题。图5为UN2308ECJ轴承损害状况形貌：外圈内滚道出现与滚柱数目相同的12条凹坑，凹坑深度经测量为0.20～0.24mm。从设计上看，调心轴承的使用固然有助于解决箱体等零部件误差大，不易安装的问题，即便有点歪斜、不同轴等问题，照样可以安装起来。但是，如此安装起来的总成将使所有的误差全部集中到齿轮轴承（UN2308ECJ）上（从图1可知，该轴承的外圈以箱体为322005年第3期图5轴承损害情况当同轴度误差较大时（超过0.015mm），齿轮轴承就在过定位状态下工作，将承受巨大的预应力，轴承每转一圈，就受一次冲击。同轴度误差越大，冲击力就越大。该

7、轴承径向游隙0.025mm，而实际测得的同轴度误差却在0.05～0.10mm。过大的同轴度误差不仅消耗掉了游隙，多余的误差就对滚道产生冲击。轴承滚柱对滚道的冲击只要形成一点痕迹，很快就会形成与滚柱数目相等的凹坑。凹坑形成后，滚柱和保持架转至滚道凹坑处，相对滚动出现短时停滞现象，这又进一步加重了冲击。这样，凹坑加深，轴承磨损，游隙快速增大，周而复始，恶性循环。轴承每转一周，就使齿轮传动产生12次圆周冲击载荷。在此情况下，齿轮的齿向啮合精度将变差，从而使偏啮更严重，最终导致轮齿因过载而折断。五、