摘要：通過對回轉(zhuǎn)窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸進行詳細的計算、分析，找出事故真正原因在于設計錯誤，并針對性提出改進對策，避免同類事故再次發(fā)生，確保生產(chǎn)的有序進行。
　　
　　前言
　　
　　活性石灰是煉鋼的重要造渣材料，它是一種性能活潑、反應能力強、含硫低的軟燒石灰，同時活性石灰也是燒結(jié)的重要熔劑之一。我公司在總體布置中設置４條規(guī)格為Φ４．０ｍ×６０ｍ的回轉(zhuǎn)窯，其中一期兩條已于２００７年初建成投用，所生產(chǎn)的活性石灰＞５ｍｍ的活性石灰供轉(zhuǎn)爐煉鋼的需要，而＜３．０ｍｍ的活性石灰供燒結(jié)用。
　　
　　回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)由筒體１、支撐裝置２、１３、傳動裝置３、５、（１０、９、８、７）、６、４、１１、１２窯尾及窯頭密封、窯頭罩組成。其主要特點：
　　
　?、俨捎门c規(guī)模相適應的、直徑和長度適宜的窯型；
　　
　?、谥鱾鲃硬捎谜{(diào)速電機，并設有輔助電機，工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活；
　　
　?、鄹G頭、窯尾設有密封結(jié)構(gòu)，簡單可靠，密封效果好。
　　
　　回轉(zhuǎn)窯在使用過程中出現(xiàn)過諸如耐材脫落、托輥軸承發(fā)熱等不少設備故障、事故，較為典型的設備事故為１號回轉(zhuǎn)窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸，對生產(chǎn)的影響zui為嚴重。１號回轉(zhuǎn)窯自２００７年初投產(chǎn)以來，至２０１１年１２月發(fā)現(xiàn)電機、減速機異音且振動加劇，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)減速機高速齒輪軸齒輪已出現(xiàn)斷齒，在計劃停機處理采用輔助傳動涼窯過程中出現(xiàn)斷軸事故。如何查找事故原因、制定相應對策、避免同類事故再次發(fā)生、確保生產(chǎn)穩(wěn)定運行成為當務之急。以下針對本次斷齒、斷軸事故進行詳細系統(tǒng)的分析，以尋求相應解決辦法。
　　
　?。?、相關參數(shù)及斷齒、斷軸概況
　　
　　２．１電機相關參數(shù)
　　
　　主電機：型號ＹＳＮＰ３５５Ｍ２－６
　　
　　額定功率１６０ｋＷ
　　
　　轉(zhuǎn)速９８０ｒ／ｍｉｎ
　　
　　輔助傳動電機：型號Ｙ１８０Ｍ－４
　　
　　額定功率１８．５ｋＷ
　　
　　轉(zhuǎn)速１４７０ｒ／ｍｉｎ
　　
　　２．２減速機相關參數(shù)
　　
　　主減速機：型號ＹＮＳ１２４０－８０ⅥＢＤ－Ｌ
　　
　　中心距１２４０ｍｍ
　　
　　速比８０
　　
　　輔減速機：型號ＹＮＳ３９５－２８－Ｉ－Ｌ
　　
　　中心距３９５ｍｍ
　　
　　速比２８
　　
　　２．３主減速機高速齒輪軸相關參數(shù)
　　
　　主減速機高速齒輪軸結(jié)構(gòu)形式如圖２所示，其中部分參數(shù)如下：
　　
　　軸材質(zhì)３５ＣｒＭｏ
　　
　　法向模數(shù)Ｍｎ＝５
　　
　　齒數(shù)Ｚ＝１６
　　
　　壓力角αｎ＝２４°
　　
　　螺旋角β＝１２°
　　
　　Ｍ－Ｍ截面處Ｄ＝１１５ｍｍ，ｄ＝９５ｍｍ，原設計Ｒ＝３ｍｍ，重新修改設計Ｒ＝１０ｍｍ
　　
　?。玻词鹿是斑\行狀況
　　
　?。玻埃保蹦辏保苍拢保等?，在進行設備點檢時發(fā)現(xiàn)１號回轉(zhuǎn)窯減速機有輕微異響，隨對該減速機進行重點監(jiān)護運行；２０日進行在線監(jiān)測時，采用頻普分析未發(fā)現(xiàn)異常，但異音、振動有增加趨勢；２３日申請停機檢查，發(fā)現(xiàn)高速小齒輪有４個齒有局部斷齒現(xiàn)象，在隨后的采用輔助傳動涼窯停機進行更換過程中，高速齒輪軸發(fā)生斷裂。
　　
　?。玻禂帻X、斷軸特征
　　
　　事故發(fā)生后停機檢查，高速齒輪軸總計斷齒４個，斷裂長度約為齒寬１／２。從齒斷面看，有２個連續(xù)斷齒（齒１、齒２）斷裂根部有剝落現(xiàn)象，內(nèi)部有明顯銹蝕點。另２個斷齒（齒３、齒４）相間３個未斷齒，為軸斷時軸系失穩(wěn)，異常嚙合折斷。與之配合的嚙合從動齒完好無損。斷齒斷面如圖３所示。
　　
　　從軸斷面看，軸斷裂發(fā)生在軸肩處，軸斷后在凹凸斷面咬合下進行涼窯運轉(zhuǎn)，但斷面磨合后仍可以看到疲勞裂紋存在。軸斷裂位置如圖２所示的Ｍ－Ｍ截面，斷面如圖４所示。
　　
　　３斷齒、斷軸原因分析
　　
　　３．１斷齒原因分析
　　
　?。常保睌嗝婧暧^分析
　　
　　從斷面宏觀分析可知，主動齒輪斷齒分兩類。一類為具有疲勞特征的斷齒，另一類為一次性過載折斷的斷齒。
　　
　　如圖３所示，斷齒１和斷齒２齒根部已形成疲勞裂紋，且斷齒呈小塊狀，側(cè)面有片狀剝落，說明屬接觸疲勞失效的一種情況，通常是由于齒表面在接觸壓應力的*不斷反復作用下引起的一種疲勞破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面出現(xiàn)許多痘狀凹坑。在剛出現(xiàn)凹坑或凹坑較少時，一般仍可繼續(xù)工作，但隨著時間的延續(xù)，凹坑不斷增多和擴大，齒嚙合發(fā)生惡化，齒根部應力增大，產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴展直至斷齒。斷齒１和斷齒２斷面內(nèi)部存在凹坑，凹坑內(nèi)部有鐵銹色點說明該齒加工時內(nèi)部存在諸如氣孔等內(nèi)部缺陷，這也使工作時齒在內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生應力，隨應力裂紋的不斷擴展，zui終導致斷齒呈小塊狀。
　　
　　如圖３所示，斷齒３和斷齒４斷面呈一次開裂狀，斷面粗糙，斷口無塑性變形，心部為韌窩狀，斷齒為一整塊，易拼合，通常是由于突然負載增加或異物卡入嚙合面所致。
　　
　?。常保矓帻X結(jié)論
　　
　　斷齒１和斷齒２內(nèi)部具有制造缺陷，為疲勞性斷齒。斷齒３和斷齒４一次性過載折斷的斷齒。
　　
　　３．２斷軸原因分析
　　
　　斷面宏觀分析如圖４所示，斷口位置發(fā)生在高速齒輪軸中部軸肩過渡處，此處軸頸由直徑９５ｍｍ過渡至直徑１１５ｍｍ，原設計過渡圓角３ｍｍ。根據(jù)對斷面形狀的觀察，斷面基本呈一平面并與軸線垂直，部分區(qū)域存在輕微鋸齒狀形態(tài)，可詳細分為以下區(qū)域：
　　
　　１）疲勞源大至有２～３處，全部發(fā)生在軸肩過渡處。
　　
　?。玻┢谠窗l(fā)展區(qū)表面光亮，呈橢圓形區(qū)域，具有放射狀紋理，貝殼狀前沿線。
　　
　?。常┢诹鸭y加速擴展區(qū)，呈現(xiàn)光亮且有一定粗糙度。
　　
　?。矗┧矔r斷裂區(qū)在zui中部，斷面非常粗糙。
　　
　　３．２．２齒輪軸受力計算、分析
　　
　　齒輪軸支承位置和軸受載荷大小、方向、作用點及載荷種類已明確，支點反力及彎矩可求得，進而按彎矩合成理論進行計算。計算時，將軸當作置于鉸鏈支座上的梁。軸上零件傳來的力作為集中力，其作用點取為零件輪緣寬度的中點。軸上轉(zhuǎn)矩相應從輪轂寬度的中點計算。作用在軸上的各載荷不在同一平面內(nèi)時，分解到兩個相互垂直的平面上，然后分別求出兩平面內(nèi)的彎矩，再按失量合成法求得合成彎矩。主電機驅(qū)動時齒輪軸受力分析計算結(jié)果如圖５所示。
　　
　　輔助電機驅(qū)動時齒輪軸受力分析計算結(jié)果如圖６所示。
　　
　　圖５、６中：ａ）、ａ'）軸上受力分析圖；
　　
　　ｂ）、ｂ'）水平面內(nèi)支反力圖；
　　
　?。悖?、ｃ'）齒輪的作用力在水平面內(nèi)的彎矩圖；
　　
　?。洌ⅲ?）垂直面內(nèi)支反力圖；
　　
　　ｅ）、ｅ'）齒輪的作用力在垂直面內(nèi)的彎矩圖；
　　
　?。妫ⅲ?）附加圓周力Ｆ０產(chǎn)生支反力圖；
　　
　?。纾ⅲ?）附加圓周力Ｆ０產(chǎn)生的彎矩圖；
　　
　?。瑁ⅲ?）轉(zhuǎn)矩圖。
　　
　　斷軸結(jié)論
　　
　　主減速機齒輪軸直徑設計合理，但軸頸由直接９５ｍｍ過渡至直接１１５ｍｍ自由過渡軸肩過渡圓角Ｒ３設計錯誤，應改為不小于Ｒ１０的過渡圓角。齒輪軸斷裂是在涼窯準備檢修時，采用輔助減速機傳動時因軸肩處已產(chǎn)生疲勞裂紋且過渡圓角設計錯誤致使疲勞強度安全系數(shù)不合格而突然斷裂。
　　
　　對策
　　
　　針對以上計算、分析，對避免減速機齒輪斷齒、斷軸事故再次發(fā)生，提出以下相應對策。
　　
　?。保┳龊脺p速機供應商的選擇，優(yōu)先選用技術(shù)能力強、制造加工設備*的、信譽好的供應商。如本減速機原始訂貨時為回轉(zhuǎn)窯廠家配套，未提過技術(shù)方面及供貨廠家等要求，如這些工作做細，對生產(chǎn)穩(wěn)定運行也會提供較好的設備保證。
　　
　　２）加強設備制造過程中間檢驗、出廠驗收，關鍵工序進行駐廠檢驗，保證進入現(xiàn)場設備性能合格。如本減速機制造過程中進行詳細的中間檢驗，要求齒輪進行全部探傷，完夠及時發(fā)現(xiàn)齒１、齒２內(nèi)部缺陷并及時處理，可避免齒１、齒２的斷裂。
　　
　　３）關鍵設備、關鍵部件認真進行設計審查，及時發(fā)現(xiàn)并更正設計錯誤。如本減速機高速齒輪軸軸頸由直徑９５ｍｍ過渡至直徑１１５ｍｍ自由過渡軸肩過渡圓角Ｒ３設計錯誤，如果進行詳細設計審查，發(fā)現(xiàn)并改正過渡圓角為Ｒ１０，完夠避免事故的發(fā)生。
　　
　　結(jié)語
　　
　　以上是針對回轉(zhuǎn)窯主減速機高速齒輪軸斷齒、斷軸進行詳細的計算、分析，找出事故真正原因在于設計錯誤，并針性提出改進對策，避免同類事故再次發(fā)生，確保生產(chǎn)的有序進行。