挖掘機輪齒失效分析與研究

郜海超

[摘要]：隨著挖掘機在工程項目中的逐漸應用，回轉支承的斷齒幾率顯著增大，針對挖掘機在作業時，斗齒磨損失效的有效防控進行了全面的分析。分析了輪齒失效的原因，提出了提高輪齒性能的方案。

[關鍵詞]：挖掘機 回轉支承 輪齒折斷

0前言

每一種品牌的國產挖掘機使用回轉支承的斷齒概率都存在一定的差異，而挖掘機的售后配件市場反映的回轉支承斷齒率卻非常的高，甚至有些國產品牌的挖掘機出現過兩位數百分比的大面積回轉支承斷齒問題。通常情況下，回轉支承出現斷齒的部位主要是內嚙合和硬齒面，但是外嚙合和軟齒面的回轉支承卻很少出現斷齒的問題。下文主要是闡述回轉支承內嚙合和硬齒面容易出現斷齒的原因，以及對其提出采用鼓形齒回轉支承的解決對策，更好地解決斷齒問題。

1挖掘機回轉支承失效現象

回轉支承實測幾何尺寸為：外徑1620mm，內徑1275mm，厚度125mm，內齒圈齒數92個，齒長135mm，齒高30mm，齒頂厚度8mm，齒根厚度35mm。內齒圈齒形為直齒。

回轉支承內齒圈共有18個齒嚴重損壞，損壞的18個齒呈現連續排列特征，占比達到圓周總長度五分之一的區域，分度圓以上的齒高被磨損殆盡，只余下分度圓以下的齒根部分。未見斷齒痕跡。

回轉支承在使用時還會出現回轉支承過程中，出現卡死、滾道壓陷、壓裂等非正常失效現象。

2分析回轉支承出現斷齒的原因

挖掘機在工作的過程中，容易產生一定的傾翻力矩，從而導致小齒輪的中心線出現一定的傾斜角度和徑向位移，由此齒輪傳動的中心距會相應產生一定的變化，齒側間隙也不例外。通常情況下，挖掘機使用的回轉支承的出廠間隙最好要小于0.2毫米，在經過一段時間的投入使用后，回轉支承的間隙會有一定程度的變大。其實，在挖掘機的實際工作中，回轉支承的滾道一般都會產生一定的變形。

回轉支承的結構類似于滾動軸承，外圈固定在挖掘機下車架上，內圈為內齒輪圈，固定在上車架上，外圈與內圈之間有球形滾珠。挖掘機上車架的360度回轉運動是由回轉減速機帶動回轉支承內齒輪圈轉動實現的。

用清洗油將回轉支承內齒圈清洗后，除受損的18個齒以外的輪齒齒形完整，齒面光滑，齒頂和齒根均未見損壞，齒頂厚度基本均勻相等，可以基本判定在工作過程中回轉支承與回轉減速機之間嚙合良好，中心線平行，中心距正確，沒有發生磨損性損壞現象。

經分析，回轉支承內齒圈的18個齒最早出現損壞，然后通過齒輪之間的相互嚙合關系導致了減速機圓柱齒輪輪齒的損壞。

齒輪內圈8個齒的損壞特征與其他未損壞的輪齒相比較，在表象上沒有出現過渡性區域，可以基本判定包含這18個齒的齒圈區域存在制造缺陷或者是原材料缺陷。

回轉支承內齒圈是鍛造材質，金屬材料經過鍛造加工可以基本消除原材料內部的缺陷，因此，可以基本排除原材料存在缺陷的可能性。

回轉支承內齒圈在加工過程中，為了提高輪齒齒面硬度、增強輪齒表面的耐磨性能，必然要采用熱處理工藝，齒圈的熱處理工藝一般為：加熱（900度）——淬火（油冷）——回火（550度），結合回轉支承內齒圈18個齒損壞特征分析，可以基本判定包含這18個齒的齒圈區域在熱處理過程中，表面硬度和耐磨性能沒有達到技術要求。

3改進措施

（1）提高回轉支承的安全系數

回轉支承經常在低速大載荷工況下進行，計算的承載能力應該提高凈容量與當量載荷的比值，讓回轉支承在完全安全的范圍內工作。

（2）提高回轉支承制造精度

據現有資料介紹，目前小噸位起重機回轉支承較之大噸位起重機回轉支承的接觸應力要小，實際安全系數較高。而起重機噸位越大，則其回轉支承直徑越大，制造精度越低，其安全系數實際上反而較低，這就是大噸位起重機回轉支承比小噸位起重機回轉支承更容易損壞的根本原因。所以提高大噸位起重機回轉支承的制造精度也是改善輪齒折斷的一個重要措施。

（3）改善回轉支承熱處理工藝

回轉支承本身的加工質量受制造精度、軸向間隙和熱處理狀態的影響很大，這里容易忽略的因素是熱處理狀態的影響。顯然，要使滾道表面不產生裂紋及壓陷，就要求滾道表面除具有足夠的硬度而外，還必須具有足夠的硬化層深度和心部硬度。據國外資料介紹，滾道硬化層深度應隨滾動體的增大而加厚，最深可超過6mm以上，心部硬度也應較高，這樣滾道才會有較高的抗壓潰能力。所以回轉支承滾道表面淬硬層深度不足，心部硬度偏低，也是造成其損壞的原因之一。

（4）選用優良的材料

回轉支承滾動體采用整體淬硬的碳鉻軸承鋼。牌號為GCr15或GCr15SiMn鋼制造；湛瀘回轉支承套圈則采用表面淬硬鋼等優質材料。通過有限元分析，適當加大轉臺與回轉支承相連部位的板材厚度，以便提高轉臺的結構剛度。

4結論

通過以上各項的查看和分析，可以基本認定占比達到圓周總長度五分之一區域的18個齒是導致挖掘機回轉系統損壞事故的事故源。

挖掘機回轉減速機和回轉支承受損，是回轉支承內齒圈上連續排列的18個齒在熱處理過程中表面硬度和耐磨性沒有達到技術要求，在內齒圈18個齒損壞后又導致了回轉減速機的損壞。

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