BPP176S立磨減速機行星輪和軸承損傷的分析解決

某公司生料立磨采用德國萊歇磨，配置主減速機為日本住友制造的BPP176S立式減速機，2009年投入使用，期間只對該減速機進行過簡單維護保養(yǎng)，未曾進行拆解檢修。公司于2023年2月中旬開始對該減速機進行現場大型維保。整機開箱后檢查，發(fā)現減速機二級行星輪軸承跑外圈，軸承外圈與行星輪內孔均有磨損的現象。在國內外同類大型立式減速機的使用實踐中，一、二級行星輪內孔磨損時有發(fā)生，但軸承外圈同時發(fā)生磨損的情況則較為少見，并且其磨損程度還甚于行星輪內孔。針對這一異常情況，開展了專業(yè)檢測和分析，對此現象產生的根源進行了初步分析研究。對磨損的二級行星輪內孔進行了修復，更換新的軸承。

1、減速機規(guī)格型號與結構BPP176S立磨減速機由箱體、行星架、齒輪、軸和軸承等組成（見圖1），功率3?150kW，輸入轉速990r/min，輸出轉速25.93r/min。內部傳動系統(tǒng)分為三級，第一級為錐齒輪副傳動，第二、三級皆為行星輪系傳動結構。圖1BPP176S立磨減速機結構

2、行星輪及軸承損傷情況及分析整機開箱檢查，該減速機總體情況良好。在二級行星輪內裝有兩個22248BL1C3球面滾子軸承（NTN），中間由內外隔圈分隔，軸承整體拆卸后現場檢查結構完整正常，滾動體光滑無異常，軸承滾道光滑無點蝕；但二級行星輪軸承跑外圈，行星輪內孔和軸承外圈同時磨損（見圖2）。圖2二級行星輪內孔和軸承外圈的磨損2.1二級行星輪內孔的磨損對二級行星輪內孔磨損的部位反復檢測，數據如下：行星輪內孔未磨損部位（對應軸承油槽處）直徑為Φ440-0.17-0.18，磨損部位直徑為Φ440-0.10-0.11，磨損量約0.07mm。內孔的磨損狀態(tài)并未像通常的那樣配合表面磨成鏡面，或者配合面呈現出凹凸不平溝槽特征，而是整個配合面發(fā)暗并附有點、塊狀碳化黑斑，四個行星輪內孔磨損量基本一致。2.2二級行星輪軸承的磨損軸承外圈磨損嚴重，經過反復檢測，外圈直徑為Φ440-0.11-0.12，按通常出廠時為Φ440+0-0計算，磨損量達到0.11~0.12mm。經過初步檢測，軸承游隙值為0.30mm左右。通過查閱資料，新軸承理論游隙在0.24~0.32mm之間，表明現有軸承游隙值仍在標準范圍內。軸承外圈的磨損和行星輪內孔的磨損相同，都是表面發(fā)暗并附有點、塊狀碳化黑斑，四個行星輪軸承外圈磨損量基本一致。2.3磨損分析2.3.1材料方面的分析通常情況，為保護軸承，要求是行星輪內孔硬度小于軸承外圈硬度。針對軸承外圈磨損量大于行星輪內孔磨損量情況，我們對行星輪齒面硬度、行星輪內孔硬度及軸承外圈硬度進行了全面檢測，檢測儀器為EH-180型里氏硬度計，檢測數據大致如下：行星輪齒面800~820HLD，行星輪內孔770~780HLD，軸承外圈810~825HLD。將里氏硬度折算為洛氏硬度，分別為：行星輪齒面60~62HRC，行星輪內孔57~58HRC，軸承外圈61~63HRC，硬度符合要求。根據以上檢測結果初步推測：原廠家行星輪內孔是滲碳淬火，然后采用優(yōu)質合金刀具車削后磨削成型。通過廣泛查閱金屬材料摩擦與磨損相關技術文獻獲悉：金屬材料的耐磨性可以由材料的硬度來衡量，材料的硬度反映了材料抵抗物料壓入表面的能力。硬度高，物料壓入材料表面的深度就淺，切削產生的磨削體積就小，即磨損就小，耐磨性就高。同時，金屬材料耐磨性還與金屬材料的晶體互溶性、強度、摩擦形式、溫度等也有關系。通過對影響耐磨性的諸多因素分析來看，雖然軸承外圈表面硬度比行星輪內孔略高，也可能存在行星輪內孔磨損量反而小于軸承外圈表面磨損量的現象。2.3.2軸承外圈與內孔配合方面的分析通過測量數據可以看出，二級行星輪內孔為Φ440-0.17-0.18，NTN軸承理論外徑值Φ4400-0.045，但通常制造者加工都比較謹慎，加工時基本都會遵從最大實體原則以避免次、廢品產生，軸承外徑公差基本都會在0~0.01mm之間。檢測擬更換的新軸承數據，軸承外徑為Φ440+0-0，因此估算原軸承外圈與行星輪內孔配合過盈量主要集中在0.16~0.18mm之間。行星輪軸承跑外圈的直接原因就是行星輪軸承滾子與滾道之間的滾動摩擦力，超過了行星輪軸承外圈與行星輪內孔之間過盈配合的固持力，或者行星輪軸承外圈與行星輪內孔之間間隙配合的滑動摩擦力。常規(guī)設計，軸承外圈配合的原則有兩種：一是相對于載荷方向旋轉的外圈應選擇過盈配合或過渡配合，相對于載荷方向固定的外圈應選擇間隙配合；二是載荷的類型和大小，當受沖擊載荷或重載荷時，一般選擇比正常、輕載荷時更緊密的配合，對于向心軸承載荷的大小用當量動載荷Pr與徑向額定動載荷Cr的比值區(qū)分。對于本臺減速機，按照減速機銘牌參數，通過計算得知，額定工況下二級行星輪載荷Pr=345.2kN。查閱擬更換的NSK軸承手冊，軸承22248B徑向額定動載荷Cr=1?870kN，通過當量動載荷Pr與軸承額定動載荷Cr的比值進行判斷：Pr/Cr=345.2/1?870=0.18。查GB/T275—1993《滾動軸承與軸和外殼的配合》，此行星輪軸承載荷性質為重載荷；考慮到配合面直徑較大且對旋轉精度要求較高，故設計選擇P6是比較理想的公差帶。P6公差帶具體尺寸數值為Φ440-0.055-0.095，該二級行星輪內孔實際檢測尺寸為Φ440-0.17-0.18，已經遠超過國家標準推薦的重載荷軸承公差帶。采用如此大的過盈配合，目的是盡量降低軸承跑外圈的概率。

3、軸承跑外圈分析3.1行星輪處溫度場分析查閱機械設計手冊，滾動軸承在具有良好潤滑情況下摩擦系數在0.001~0.004之間，具體與軸承品牌、個體質量及安裝使用等各種因素皆有細微差異。鋼對鋼的摩擦系數一般在0.02~0.04之間。有了上面的基礎認知，再來分析該二級行星輪軸承跑外圈的原因。實際裝配工況下，本案例中二級行星輪內孔與軸承外圈存在較大過盈量，不會出現相對位移，因為過盈配合的固持力會遠遠大于軸承滾子與滾道之間的滾動摩擦力?，F在的實際情況是軸承完好，行星輪內孔與軸承外圈都嚴重磨損了，那么二者之間肯定是出現過較長時間的間隙配合。因為在溫度場恒定后，假設行星輪內孔D2和軸承外圈D1形成過盈配合，那么在受載情況下，行星輪內孔與軸承外圈之間的接觸面積就會較大，二者之間就會產生較大的摩擦力F2，摩擦力F2=正壓力N2×摩擦系數μ2，這種情況下軸承滾子與滾道之間的滾動摩擦力F1就不足以克服F2帶動軸承外圈跑圈。在正常工作情況下，太陽輪和行星輪嚙合，行星輪和內齒圈嚙合，發(fā)熱量都會很小，因為高精重載齒輪副在輪齒磨合好以后，在潤滑良好的情況下基本都會進入彈性流體潤滑狀態(tài)，在該狀態(tài)下輪齒與輪齒之間不會直接接觸，而是被一層潤滑油膜隔開，流體間摩擦系數比金屬材料間摩擦系數更低，所以在彈性流體潤滑狀態(tài)下輪齒嚙合發(fā)熱很低。因此，行星輪熱膨脹的熱量主要來自于軸承滾子與滾道之間的摩擦生熱Q1，軸承滾子與滾道摩擦生熱溫度場分布由軸承外圈至行星輪齒頂是逐減的，也就是說軸承外圈內表面溫度略高于軸承外圈外表面，軸承外圈外表面略高于行星輪內孔壁附近溫度。由于配合面直徑較大，因此只要略微有點溫差，軸承外圈直徑膨脹量就會大于行星輪內孔直徑膨脹量，在兩者本就過盈配合的情況下，隨著溫度持續(xù)上升達到熱平衡，兩者形成了牢固的過盈配合。即使在冷態(tài)啟動瞬間，假設行星輪內孔與軸承外圈過盈量相對較小，行星輪系由于整體結構因素、功率分流不均因素、載荷突然沖擊、各零件受力不平穩(wěn)、軸承滾子遲滯等導致的軸承外圈與行星輪內孔瞬間產生相對位移即跑圈，在溫度升高達到熱平衡后，行星輪與軸承之間微間隙消失，跑圈自然就終止了。反過來說，假如在溫度場恒定后，行星輪內孔D2與軸承外圈D1直徑相差較大（即配合間隙較大，至少>0.1mm以上），那么在受載輕微變形情況下，行星輪與行星輪軸承之間的接觸面積就會很小，二者之間產生的摩擦力F2就會很小，這時F1>F2，F1就會帶動軸承外圈旋轉，出現較大間隙配合的期間越長，二者之間的磨損就會越大?，F實情況也證明了上述分析，軸承外圈和行星輪內孔都出現了嚴重磨損且四組行星輪及其軸承磨損情況基本一致，說明幾組行星輪內孔及其軸承外圈配合較長時間存在較大間隙，導致軸承滾子與滾道之間的摩擦力F1大于行星輪內孔與軸承外圈之間的摩擦力F2。只有在F1>F2的情況下，軸承跑外圈狀況才能得以持續(xù)進行?，F在倒推行星輪與軸承之間產生間隙的根本原因：既然冷態(tài)下行星輪內孔直徑D2小于軸承外圈直徑D1；而在熱態(tài)卻出現了D2>D1的情況，那就說明在受熱情況下行星輪溫度略高于軸承溫度，出現了從行星輪到軸承溫度逐減分布的溫度場。在行星輪區(qū)域附近，存在兩個逆向分布的溫度場。其一，太陽輪與行星輪齒輪副嚙合生熱Q2；其二，行星輪軸承滾子與滾道之間摩擦生熱Q1。前面已經提到過：高精重載齒輪副，磨合好以后一般皆會進入彈性流體潤滑狀態(tài)，該狀態(tài)下生熱Q2極低，會低于軸承滾子與滾道之間的摩擦生熱Q1。但實際情況卻是，兩個溫度場進行矢量疊加后，反而形成了行星輪溫度略高于軸承溫度的綜合溫度場，這樣反過來就證明了太陽輪與行星輪齒輪副之間的潤滑沒有進入彈性流體潤滑狀態(tài)。產生這種現象的根源可能是齒輪嚙合潤滑不良所導致。潤滑不良的因素較多，主要有潤滑油牌號不合適，潤滑油量不足，潤滑油乳化變質，潤滑油性能下降，以及潤滑油被雜質污染等。3.2潤滑油方面的分析回溯該減速機維護保養(yǎng)的歷史記錄，2021年10月間減速機稀油站進行了整體換油約4?000L，運行一個月后出現了潤滑油泡沫化嚴重的情況。通過將潤滑油取樣送廣州機械研究所油品檢測中心化驗顯示，該批次潤滑油抗泡沫特性不合格，后采取添加適量消泡劑的方式消除，處理過程約20天。分析該減速機潤滑油路通道，大小行星輪軸承潤滑均采取自上而下溢流式，稀油站輸入的潤滑油進入推力瓦油槽，油槽溢流出的潤滑油首先進入二級行星輪軸承，然后通過潤滑通道向下進入一級行星輪軸承，逐級潤滑后落入底部流回油箱。因此，若潤滑油中含有大量泡沫，將首先涌向二級行星輪，而后泡沫逐漸破滅流向一級行星輪，此期間潤滑油泡沫含量高可能就是導致二級行星輪潤滑不良的主要原因。

4、問題結論及處理綜上所述，本次磨損事故的主要原因是：（1）一個時期內潤滑油泡沫含量高，二級行星輪齒面潤滑不良，溫度上升，造成二級行星輪內孔直徑D2大于軸承外圈直徑D1，內孔和軸承外表面產生微間隙。（2）減速機運行過程中由于物料等原因帶來的異常振動導致功率瞬間上升，載荷沖擊可能導致軸承外圈與行星輪內孔產生瞬間相對位移，產生了相對磨損。（3）磨機工作非24h連續(xù)，減速機較為頻繁的冷啟動運轉模式可能加劇了磨損的程度。對磨損的二級行星輪內孔，使用激光熔覆堆焊后磨削的方式修復至原始尺寸Φ440-0.17-0.18，更換外圈磨損的軸承，確保減速機恢復到原始狀態(tài)。

5、結束語此次故障也提示我們，大型立式減速機在日常維護運行管理中，為預防行星輪軸承跑圈故障，需要注意以下幾點：（1）一定要把好潤滑油準入關，潤滑油使用前要做到先化驗后使用，化驗指標要全面，不僅要包含常規(guī)的黏度、水分，對于重要的使用場所還要包含清潔度、抗泡