履帶收獲機變速箱點蝕、打齒故障分析

周良田

摘要：指出了履帶谷物收獲機經常在水田、爛泥田作業，變速箱使用工況惡劣，負載大，使用400 h后故障率偏高，主要失效模式是換擋變速齒輪、擋位齒輪出現點蝕、打齒的現象。結合變速箱市場故障，經過廠內各種方案驗證、排除，發現履帶收獲機打齒的主要原因有兩個：一是嚙合寬度只占齒輪寬度的59%;二是撥叉在換擋滑桿上的鎖定力不足，在收獲機行駛阻力較大時易脫擋，而齒輪在滑脫的瞬間因接觸區極小而造成齒邊緣壓變形，造成接觸區進一步減小，從而使得齒面承載力進一步下降，從而造成點蝕、打齒。為此，提出了改變齒輪倒角，以增加齒輪接觸寬度;加大換擋滑桿撥叉鎖定力，以防止脫擋，結果表明：大幅度提高了作業過程齒輪承載力，消除了脫擋瞬間造成齒面壓潰問題，經廠內、市場驗證，變速箱點蝕、打齒故障率大幅度下降。

關鍵詞：履帶谷物收獲機;變速箱;嚙合寬度;脫擋;點蝕;打齒

中圖分類號：S225

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0230-03

1?引言

水稻是中國的主糧之一，在中國水稻收獲的機械化率已達到97%，主要使用履帶谷物收獲機，該產品每年總銷量約5萬臺，由于水稻收獲時，經常在水田、爛泥田作業，使得變速箱使用工況惡劣，負載大。加之收獲機近年來持續大型化，由2003年以前的喂入量1.5kg/s升級到6.0kg/s，整機重量不斷提高，使得變速箱隨同整機不斷升級、加強。

經過15年的政府補貼拉動，履帶谷物收獲機國內市場市場飽有量持續增大，國內一般非跨區用戶，一年作業時間在300 h左右，對于質保期一年的用戶，其故障率較低。但對于某型號谷物收獲機所配的變速箱（換擋方式：滑移齒輪），在400 h以后，該變速箱的換擋變速齒輪、擋位齒輪故障率開始顯得比較突出，主要故障模式是齒面點蝕、打齒。

隨著國內競爭形勢越來越激烈，好多農機企業將變速箱質保期延長為兩年，此問題將成為兩年三包期內外部損失增加、用戶不滿的重要因素，急需解決。

2?問題現象及原因分析

2.1?變速箱齒輪故障率

通過市場服務人員檢修變速箱的數據統計，變速箱齒輪故障率如表1所示。

2.2故障現象確認

主要兩種失效模式：第一種是“一擋、三擋齒輪端部打齒”，第二種是“二擋齒輪齒面早期點蝕、后期整體打齒”，各擋齒輪傳遞關系見圖1。

從圖2可以看出，一、三擋不是整體打齒，而是端部打齒，所有一、三擋齒輪，以及與之嚙合的換擋變速齒輪均有此趨勢（或輕或重）。

從圖3可以看出，二擋嚙合的一對齒輪齒寬只嚙合了2/3左右（通過測量嚙合印痕，嚙合比例只占齒寬的59%）。

2.3?原因分析

首先，對各齒輪進行了強度校核。

2011版化學工業出版社《現代機械設計手冊》第3卷，第16篇“齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度校核計算”，計算確認二擋的一對嚙合齒輪安全系數為2.04、2.16，三擋的一對嚙合齒輪安全系數為1.77、1.83，一擋安全系數更高，理論上強度是夠的。

其次：從掛擋是否到位分析。從圖2中看出，三擋齒輪打齒不是整個齒面打齒，是從一側打齒，說明不是整體強度問題，而是嚙合不到位造成。無論從理論分析，還是掛擋試驗，確認擋位是已掛到位的，擋位感明顯，且通過拆檢確認“掛擋后換擋齒輪、擋位齒輪均在正確位置”。

第三：可能存在脫擋情況。當脫擋時，齒輪在滑脫的瞬間因接觸區極小而造成齒邊緣壓變形，造成接觸區進一步減小，從而使得齒面承載力進一步下降，從而造成點蝕、打齒。

針對脫擋問題，經牽引試驗（圖4、圖5），發現一、三擋的確易脫擋（二擋不脫擋），從圖6可以看出，脫擋過程導致了齒輪端部已擠壓變形（該變速箱是剛裝機工作不到0.5 h，包括牽引試驗時間），此種情況下，變形齒輪的齒面嚙合寬度至少下降了25%，這也證實了脫擋是導致一、三擋打齒的主要原因，需要解決易脫擋問題。

第四：圖3已證實二擋的嚙合印痕只占齒寬的59%，說明按理論齒寬計算安全系數是不合理的，如果按實際59%嚙合齒寬重新計算二擋的一對齒輪的安全系數，安全系數分別為1.20、1.27（實際的安全系數偏低）。

經進一步分析，發現二擋嚙合只占齒寬的59%原因是：齒端部有90°倒角（為了掛擋順利），從圖3可以看出這對嚙合齒輪，上部齒輪1是左側倒角、下部齒輪2是右側倒角，倒角部分不能與另一個輪齒嚙合，導致只有中間59%齒面嚙合。需要通過減小倒角，實現增加嚙合寬度。

總之，“易脫擋”是導致一、三擋打齒主要原因;“齒輪端面倒角過大，導致嚙合寬度不足”是導致二擋點蝕、打齒的主要原因。

3?改進與驗證

3.1?解決易脫擋問題

通過對撥叉總成中的彈簧、鋼球選型，調整撥叉在滑桿上的定位力，使得撥叉軸向換擋力原來的200 N增加到500～700 N（圖4、圖5為牽引力測試，圖7為滑桿軸向換擋力檢測）。

通過測試，各擋位不脫擋;證實拖拉機牽引力再大，也不會導致變速箱超載（表2）。

3.2?通過齒輪端面倒角改進，增加嚙合寬度

檔位齒輪端面倒尖角角度由90°改為110°（圖8），減小倒角長度，增加齒面嚙合長度，嚙合寬度比由59%提高到80%。

二擋一對齒輪安全系數由1.20、1.27分別提高到1.63、1.73。

3.3?田間作業驗證

將為驗證效果，安排了兩臺改進后的變速箱進行田間試驗，跟蹤驗證。經跟蹤作業500 h，然后拆解觀察，無點蝕、打齒跡象。自2020年3月份已批量投產體現，工作至今，無新點蝕、打齒現象發生。

后續，還要進一步跟蹤改進效果。

4?結語

該履帶收獲機的變速箱是滑移齒輪變速箱，性價比高、社會保有量大，維修方便，深受用戶喜愛，本次分析改進，具有重要意義。

本次問題改進過程中，一波三折，是一項典型的理論與實踐結合的案例：從理論上計算，這三對齒輪嚙合強度都沒有問題，安全系數足夠高;但從實踐上證實，理論設計時考慮不周全、有漏洞。

（1）一、三擋沒有考慮脫擋瞬間造成齒面壓潰問題：齒輪在滑脫的瞬間因接觸區極小而造成齒邊緣壓變潰變形，造成接觸區進一步減小，從而使得齒面承載力進一步下降，進而造成點蝕、打齒。改進對策為：通過加大換擋滑桿撥叉鎖定力，以防止脫擋。

（2）二擋沒有考慮齒輪端面倒角導致嚙合寬度不足。通過改變齒輪倒角，以增加齒輪接觸寬度（由59%提高到80%），大幅度提高了二擋作業過程齒輪承載力。

通過本次改進，將變速箱由400 h左右出現較大比例的點蝕、打齒，可以提高到800 h以上，滿足2年質量三包的可靠性要求。

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