BPP176S立磨減速機(jī)行星輪和軸承損傷的分析解決

某公司生料立磨采用德國(guó)萊歇磨，配置主減速機(jī)為日本住友制造的BPP176S立式減速機(jī)，2009年投入使用，期間只對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)單維護(hù)保養(yǎng)，未曾進(jìn)行拆解檢修。公司于2023年2月中旬開(kāi)始對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大型維保。整機(jī)開(kāi)箱后檢查，發(fā)現(xiàn)減速機(jī)二級(jí)行星輪軸承跑外圈，軸承外圈與行星輪內(nèi)孔均有磨損的現(xiàn)象。在國(guó)內(nèi)外同類大型立式減速機(jī)的使用實(shí)踐中，一、二級(jí)行星輪內(nèi)孔磨損時(shí)有發(fā)生，但軸承外圈同時(shí)發(fā)生磨損的情況則較為少見(jiàn)，并且其磨損程度還甚于行星輪內(nèi)孔。針對(duì)這一異常情況，開(kāi)展了專業(yè)檢測(cè)和分析，對(duì)此現(xiàn)象產(chǎn)生的根源進(jìn)行了初步分析研究。對(duì)磨損的二級(jí)行星輪內(nèi)孔進(jìn)行了修復(fù)，更換新的軸承。

1、減速機(jī)規(guī)格型號(hào)與結(jié)構(gòu)BPP176S立磨減速機(jī)由箱體、行星架、齒輪、軸和軸承等組成（見(jiàn)圖1），功率3?150kW，輸入轉(zhuǎn)速990r/min，輸出轉(zhuǎn)速25.93r/min。內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)分為三級(jí)，第一級(jí)為錐齒輪副傳動(dòng)，第二、三級(jí)皆為行星輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖1BPP176S立磨減速機(jī)結(jié)構(gòu)

2、行星輪及軸承損傷情況及分析整機(jī)開(kāi)箱檢查，該減速機(jī)總體情況良好。在二級(jí)行星輪內(nèi)裝有兩個(gè)22248BL1C3球面滾子軸承（NTN），中間由內(nèi)外隔圈分隔，軸承整體拆卸后現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)構(gòu)完整正常，滾動(dòng)體光滑無(wú)異常，軸承滾道光滑無(wú)點(diǎn)蝕；但二級(jí)行星輪軸承跑外圈，行星輪內(nèi)孔和軸承外圈同時(shí)磨損（見(jiàn)圖2）。圖2二級(jí)行星輪內(nèi)孔和軸承外圈的磨損2.1二級(jí)行星輪內(nèi)孔的磨損對(duì)二級(jí)行星輪內(nèi)孔磨損的部位反復(fù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)如下：行星輪內(nèi)孔未磨損部位（對(duì)應(yīng)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(nèi)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(xiàn)出凹凸不平溝槽特征，而是整個(gè)配合面發(fā)暗并附有點(diǎn)、塊狀碳化黑斑，四個(gè)行星輪內(nèi)孔磨損量基本一致。2.2二級(jí)行星輪軸承的磨損軸承外圈磨損嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)，外圈直徑為Φ440-0.11-0.12，按通常出廠時(shí)為Φ440+0-0計(jì)算，磨損量達(dá)到0.11~0.12mm。經(jīng)過(guò)初步檢測(cè)，軸承游隙值為0.30mm左右。通過(guò)查閱資料，新軸承理論游隙在0.24~0.32mm之間，表明現(xiàn)有軸承游隙值仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。軸承外圈的磨損和行星輪內(nèi)孔的磨損相同，都是表面發(fā)暗并附有點(diǎn)、塊狀碳化黑斑，四個(gè)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(hù)軸承，要求是行星輪內(nèi)孔硬度小于軸承外圈硬度。針對(duì)軸承外圈磨損量大于行星輪內(nèi)孔磨損量情況，我們對(duì)行星輪齒面硬度、行星輪內(nèi)孔硬度及軸承外圈硬度進(jìn)行了全面檢測(cè)，檢測(cè)儀器為EH-180型里氏硬度計(jì)，檢測(cè)數(shù)據(jù)大致如下：行星輪齒面800~820HLD，行星輪內(nèi)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(nèi)孔57~58HRC，軸承外圈61~63HRC，硬度符合要求。根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果初步推測(cè)：原廠家行星輪內(nèi)孔是滲碳淬火，然后采用優(yōu)質(zhì)合金刀具車削后磨削成型。通過(guò)廣泛查閱金屬材料摩擦與磨損相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)獲悉：金屬材料的耐磨性可以由材料的硬度來(lái)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(chǎn)生的磨削體積就小，即磨損就小，耐磨性就高。同時(shí)，金屬材料耐磨性還與金屬材料的晶體互溶性、強(qiáng)度、摩擦形式、溫度等也有關(guān)系。通過(guò)對(duì)影響耐磨性的諸多因素分析來(lái)看，雖然軸承外圈表面硬度比行星輪內(nèi)孔略高，也可能存在行星輪內(nèi)孔磨損量反而小于軸承外圈表面磨損量的現(xiàn)象。2.3.2軸承外圈與內(nèi)孔配合方面的分析通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，二級(jí)行星輪內(nèi)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(jǐn)慎，加工時(shí)基本都會(huì)遵從最大實(shí)體原則以避免次、廢品產(chǎn)生，軸承外徑公差基本都會(huì)在0~0.01mm之間。檢測(cè)擬更換的新軸承數(shù)據(jù)，軸承外徑為Φ440+0-0，因此估算原軸承外圈與行星輪內(nèi)孔配合過(guò)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(dòng)摩擦力，超過(guò)了行星輪軸承外圈與行星輪內(nèi)孔之間過(guò)盈配合的固持力，或者行星輪軸承外圈與行星輪內(nèi)孔之間間隙配合的滑動(dòng)摩擦力。常規(guī)設(shè)計(jì)，軸承外圈配合的原則有兩種：一是相對(duì)于載荷方向旋轉(zhuǎn)的外圈應(yīng)選擇過(guò)盈配合或過(guò)渡配合，相對(duì)于載荷方向固定的外圈應(yīng)選擇間隙配合；二是載荷的類型和大小，當(dāng)受沖擊載荷或重載荷時(shí)，一般選擇比正常、輕載荷時(shí)更緊密的配合，對(duì)于向心軸承載荷的大小用當(dāng)量動(dòng)載荷Pr與徑向額定動(dòng)載荷Cr的比值區(qū)分。對(duì)于本臺(tái)減速機(jī)，按照減速機(jī)銘牌參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得知，額定工況下二級(jí)行星輪載荷Pr=345.2kN。查閱擬更換的NSK軸承手冊(cè)，軸承22248B徑向額定動(dòng)載荷Cr=1?870kN，通過(guò)當(dāng)量動(dòng)載荷Pr與軸承額定動(dòng)載荷Cr的比值進(jìn)行判斷：Pr/Cr=345.2/1?870=0.18。查GB/T275—1993《滾動(dòng)軸承與軸和外殼的配合》，此行星輪軸承載荷性質(zhì)為重載荷；考慮到配合面直徑較大且對(duì)旋轉(zhuǎn)精度要求較高，故設(shè)計(jì)選擇P6是比較理想的公差帶。P6公差帶具體尺寸數(shù)值為Φ440-0.055-0.095，該二級(jí)行星輪內(nèi)孔實(shí)際檢測(cè)尺寸為Φ440-0.17-0.18，已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的重載荷軸承公差帶。采用如此大的過(guò)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(chǎng)分析查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，滾動(dòng)軸承在具有良好潤(rùn)滑情況下摩擦系數(shù)在0.001~0.004之間，具體與軸承品牌、個(gè)體質(zhì)量及安裝使用等各種因素皆有細(xì)微差異。鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)一般在0.02~0.04之間。有了上面的基礎(chǔ)認(rèn)知，再來(lái)分析該二級(jí)行星輪軸承跑外圈的原因。實(shí)際裝配工況下，本案例中二級(jí)行星輪內(nèi)孔與軸承外圈存在較大過(guò)盈量，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，因?yàn)檫^(guò)盈配合的固持力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸承滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦力?，F(xiàn)在的實(shí)際情況是軸承完好，行星輪內(nèi)孔與軸承外圈都嚴(yán)重磨損了，那么二者之間肯定是出現(xiàn)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的間隙配合。因?yàn)樵跍囟葓?chǎng)恒定后，假設(shè)行星輪內(nèi)孔D2和軸承外圈D1形成過(guò)盈配合，那么在受載情況下，行星輪內(nèi)孔與軸承外圈之間的接觸面積就會(huì)較大，二者之間就會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力F2，摩擦力F2=正壓力N2×摩擦系數(shù)μ2，這種情況下軸承滾子與滾道之間的滾動(dòng)摩擦力F1就不足以克服F2帶動(dòng)軸承外圈跑圈。在正常工作情況下，太陽(yáng)輪和行星輪嚙合，行星輪和內(nèi)齒圈嚙合，發(fā)熱量都會(huì)很小，因?yàn)楦呔剌d齒輪副在輪齒磨合好以后，在潤(rùn)滑良好的情況下基本都會(huì)進(jìn)入彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)，在該狀態(tài)下輪齒與輪齒之間不會(huì)直接接觸，而是被一層潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)，流體間摩擦系數(shù)比金屬材料間摩擦系數(shù)更低，所以在彈性流體潤(rùn)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(lái)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(chǎng)分布由軸承外圈至行星輪齒頂是逐減的，也就是說(shuō)軸承外圈內(nèi)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(nèi)孔壁附近溫度。由于配合面直徑較大，因此只要略微有點(diǎn)溫差，軸承外圈直徑膨脹量就會(huì)大于行星輪內(nèi)孔直徑膨脹量，在兩者本就過(guò)盈配合的情況下，隨著溫度持續(xù)上升達(dá)到熱平衡，兩者形成了牢固的過(guò)盈配合。即使在冷態(tài)啟動(dòng)瞬間，假設(shè)行星輪內(nèi)孔與軸承外圈過(guò)盈量相對(duì)較小，行星輪系由于整體結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的軸承外圈與行星輪內(nèi)孔瞬間產(chǎn)生相對(duì)位移即跑圈，在溫度升高達(dá)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(guò)來(lái)說(shuō)，假如在溫度場(chǎng)恒定后，行星輪內(nèi)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(huì)很小，二者之間產(chǎn)生的摩擦力F2就會(huì)很小，這時(shí)F1>F2，F(xiàn)1就會(huì)帶動(dòng)軸承外圈旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)較大間隙配合的期間越長(zhǎng)，二者之間的磨損就會(huì)越大。現(xiàn)實(shí)情況也證明了上述分析，軸承外圈和行星輪內(nèi)孔都出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損且四組行星輪及其軸承磨損情況基本一致，說(shuō)明幾組行星輪內(nèi)孔及其軸承外圈配合較長(zhǎng)時(shí)間存在較大間隙，導(dǎo)致軸承滾子與滾道之間的摩擦力F1大于行星輪內(nèi)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(jìn)行?，F(xiàn)在倒推行星輪與軸承之間產(chǎn)生間隙的根本原因：既然冷態(tài)下行星輪內(nèi)孔直徑D2小于軸承外圈直徑D1；而在熱態(tài)卻出現(xiàn)了D2>D1的情況，那就說(shuō)明在受熱情況下行星輪溫度略高于軸承溫度，出現(xiàn)了從行星輪到軸承溫度逐減分布的溫度場(chǎng)。在行星輪區(qū)域附近，存在兩個(gè)逆向分布的溫度場(chǎng)。其一，太陽(yáng)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(jīng)提到過(guò)：高精重載齒輪副，磨合好以后一般皆會(huì)進(jìn)入彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)，該狀態(tài)下生熱Q2極低，會(huì)低于軸承滾子與滾道之間的摩擦生熱Q1。但實(shí)際情況卻是，兩個(gè)溫度場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)，這樣反過(guò)來(lái)就證明了太陽(yáng)輪與行星輪齒輪副之間的潤(rùn)滑沒(méi)有進(jìn)入彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根源可能是齒輪嚙合潤(rùn)滑不良所導(dǎo)致。潤(rùn)滑不良的因素較多，主要有潤(rùn)滑油牌號(hào)不合適，潤(rùn)滑油量不足，潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)，潤(rùn)滑油性能下降，以及潤(rùn)滑油被雜質(zhì)污染等。3.2潤(rùn)滑油方面的分析回溯該減速機(jī)維護(hù)保養(yǎng)的歷史記錄，2021年10月間減速機(jī)稀油站進(jìn)行了整體換油約4?000L，運(yùn)行一個(gè)月后出現(xiàn)了潤(rùn)滑油泡沫化嚴(yán)重的情況。通過(guò)將潤(rùn)滑油取樣送廣州機(jī)械研究所油品檢測(cè)中心化驗(yàn)顯示，該批次潤(rùn)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(guò)程約20天。分析該減速機(jī)潤(rùn)滑油路通道，大小行星輪軸承潤(rùn)滑均采取自上而下溢流式，稀油站輸入的潤(rùn)滑油進(jìn)入推力瓦油槽，油槽溢流出的潤(rùn)滑油首先進(jìn)入二級(jí)行星輪軸承，然后通過(guò)潤(rùn)滑通道向下進(jìn)入一級(jí)行星輪軸承，逐級(jí)潤(rùn)滑后落入底部流回油箱。因此，若潤(rùn)滑油中含有大量泡沫，將首先涌向二級(jí)行星輪，而后泡沫逐漸破滅流向一級(jí)行星輪，此期間潤(rùn)滑油泡沫含量高可能就是導(dǎo)致二級(jí)行星輪潤(rùn)滑不良的主要原因。

4、問(wèn)題結(jié)論及處理綜上所述，本次磨損事故的主要原因是：（1）一個(gè)時(shí)期內(nèi)潤(rùn)滑油泡沫含量高，二級(jí)行星輪齒面潤(rùn)滑不良，溫度上升，造成二級(jí)行星輪內(nèi)孔直徑D2大于軸承外圈直徑D1，內(nèi)孔和軸承外表面產(chǎn)生微間隙。（2）減速機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由于物料等原因帶來(lái)的異常振動(dòng)導(dǎo)致功率瞬間上升，載荷沖擊可能導(dǎo)致軸承外圈與行星輪內(nèi)孔產(chǎn)生瞬間相對(duì)位移，產(chǎn)生了相對(duì)磨損。（3）磨機(jī)工作非24h連續(xù)，減速機(jī)較為頻繁的冷啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式可能加劇了磨損的程度。對(duì)磨損的二級(jí)行星輪內(nèi)孔，使用激光熔覆堆焊后磨削的方式修復(fù)至原始尺寸Φ440-0.17-0.18，更換外圈磨損的軸承，確保減速機(jī)恢復(fù)到原始狀態(tài)。

5、結(jié)束語(yǔ)此次故障也提示我們，大型立式減速機(jī)在日常維護(hù)運(yùn)行管理中，為預(yù)防行星輪軸承跑圈故障，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）一定要把好潤(rùn)滑油準(zhǔn)入關(guān)，潤(rùn)滑油使用前要做到先化驗(yàn)后使用，化驗(yàn)指標(biāo)要全面，不僅要包含常規(guī)的黏度、水分，對(duì)于重要的使用場(chǎng)所還要包含清潔度、抗泡