起重机开式齿轮传动失效模式原因分析

杨明涛

摘 要：现代机械设备虽然种类繁多，形式多样，但齿轮传动仍然是目前被广泛采用的主要传动形式之一，齿轮的失效轻则影响起重机不能正常运行，重则酿成重大安全事故，危及人民群众的生命财产安全。本文简要介绍了开式齿轮传动和闭式齿轮传动的区别及齿轮传动的失效模式，主要分析开式齿轮传动的失效模式对起重机安全正常运行的影响。

关键词：起重机械；开式齿轮传动；失效模式

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）14-0066-02

Failure Mode Analysis of Open Gear Transmission of Crane

YANG Mingtao

（Qingyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Qingyang Gansu 745000）

Abstract： Although there are many kinds and various forms of modern machinery， the gear transmission is still one of the main transmission forms which are widely used at present. The light failure of the gear will affect the crane's failure to operate normally. The weight of the gear will lead to a major safety accident， endangering the safety of the people's life and property.This paper briefly introduced the difference between open and closed gear transmission and the failure mode of the gear transmission. It mainly analyzed the effect of the failure mode of the open type gear transmission on the safe and normal operation of the crane.

Keywords： lifting machinery；open gear drive；failure mode

近年來，我国高速公路建设的总里程位居世界第一。而高速公路等基础设施建设的过程中离不开起重机，其能实现短距离运输，且大大减轻了工作人员的体力劳动，提高了劳动生产率。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式，其传动较为准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。在起重机上，常用齿轮传动减速或增大扭矩。因此，齿轮传动的失效必然会影响起重机的安全运行。

1 开式与闭式齿轮传动的区别及其失效模式

齿轮传动分为3种形式，即开式齿轮传动、半开式齿轮传动和闭式齿轮传动。其中，开式齿轮传动是指齿轮暴露在外，不能保证良好的润滑，不在封闭箱体的齿轮传动；半开式齿轮传动是指齿轮浸入油池，有护罩，但不封闭；闭式齿轮传动是指齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体内，润滑条件良好，灰沙不易进入，安装精确，齿轮传动有良好的工作条件[1]。

齿轮传动失效主要是指齿轮的轮齿失效，即在载荷作用下，轮齿发生损坏或永久变形。齿轮失效轻则影响传动质量，重则使齿轮丧失工作能力。常见的失效模式有轮齿折断（分为过载折断、疲劳折断和缺陷折断）、齿面磨损、齿面疲劳点蚀、齿面胶合和齿面塑性变形等几种模式[2]。而后面4种齿面失效模式使齿轮的齿面偏离了原有的齿廓曲线形状，从而造成齿轮瞬时角速度不等，引起起重机振动、噪声等。

2 开式齿轮传动失效的原因分析

2.1 由随意更换齿轮引起的传动失效

根据齿轮制造所采用材料的材质和热处理工艺的不同，齿轮的轮齿齿心有较脆和较韧之别，如采用40Cr或45#钢经过整体淬火、表面淬火或氮化处理的钢齿轮，其齿心有较高的淬透性，因而轮齿的齿心较脆；例如，常化的优质钢材及合金钢齿轮经调质处理，其轮齿的齿心较韧；根据硬度的大小，齿轮的齿面可区分为硬齿面齿轮和软齿面齿轮，即轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC的齿轮称为硬齿面齿轮，齿轮工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC的称为软齿面齿轮[3]。硬齿面齿轮传动载荷大，使用寿命长，多用于重载场合，而软齿面齿轮承载能力较低，但制造比较容易，啮合性好，多用于轻载场合。从设计角度而言，开式齿轮传动多采用轮齿较韧、齿面较硬的齿轮，以保证齿根弯曲疲劳强度。在起重机的日常维修作业中，使用单位为了节约成本及更换方便，往往不考虑齿轮的材质，只考虑齿轮的啮合重合度，尤其是在没有更换齿轮组的情况下，导致起重机开式齿轮传动失效。

2.2 由多次拆装造成装配精度不高引起的传动失效

近年来，高速公路和高速铁路等基础设施建设项目日益增多，在建设过程中，需要不断对所用的起重机械进行移装作业，而这势必会导致开式齿轮装配体局部变形，齿轮系及齿轮箱装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴、轴承和轴承座的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等，从而导致开式齿轮装配精度不高，引起轮齿折断的传动失效，这种现象在预制混凝土梁场的通用门式起重机中比较常见。

2.3 齿条安装偏差及接头间隙变大引起的传动失效

施工升降机的齿条是分段安装在标准节上的，在整个吊笼的工作行程中，齿条并非属于一个完整的整体，而是由和标准节等长的分段组装起来的。但是，在施工升降机反复安装与拆卸的过程中，由于安装垂直度的影响，将会直接影响齿条的安装，甚至导致齿条接头间隙变大，这种情况会加速齿轮的磨损，在重载情况下，还会导致齿条接头处由于意外短期过载或过大冲击载荷造成轮齿的过载折断。

2.4 其他方面引起的开式齿轮传动失效

①齿轮设计方面。参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。②齿轮加工方面。基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等。③其他方面输入扭矩。负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其他传动副的平衡情况等。

3 开式齿轮传动的失效模式对起重机安全运行的影响

①随意更换齿轮导致齿面软硬不相适应，齿轮齿面磨损加剧，大大降低了开式齿轮的使用寿命。同时，过度磨损会导致齿轮啮合间隙变大，在起重机制动瞬间造成起重机振动，产生振动載荷，间隙过大还会使起重机支腿产生内应力进而引起应力集中，影响起重机整体的稳定性和正常使用。

②开式齿轮装配精度不高直接影响齿轮啮合重合度，轮齿啮合过深会产生“咬齿”，在起重机带载荷运行情况下，由于过载和摩擦力过大，使齿面产生塑性变形；轮齿啮合过浅，当轮齿根部交变弯曲应力超过疲劳极限时，轮齿根部产生疲劳裂纹且逐渐扩展，导致轮齿疲劳断裂。在通用门式起重机的大车运行机构中通常采用开式齿轮传动，若有一侧支腿开式齿轮出现轮齿折断，势必导致两侧支腿运行不同步，使起重机的支腿产生内应力，当内应力超过其屈服极限时，使得起重机的主要受力结构件变形，甚至出现起重机垮塌事故。

③SC型施工升降机主要应用于建筑施工与维修，采用齿轮-齿条传动，使吊笼作垂直或倾斜运动，用于输送人员和物料的机械。由于齿条安装于高空当中，若出现轮齿断裂，则不易被操作人员及时发现，势必导致施工升降机吊笼坠落事故的发生。而施工升降机上的齿轮-齿条传动对运动精度要求较低，即对齿轮的齿廓曲线准确性要求较低，因而对因点蚀剥离、磨损等造成的齿廓曲线的改变要求也较低。因此，断齿可能酿成施工升降机或人身伤亡事故，所以要把断齿和引起断齿的因素作为安全技术检验的重点。

4 结语

齿轮传动是机械传动中最常见的传动形式之一，而开式齿轮传动被广泛应用在起重机的行走机构上，其失效势必对起重机的安全运行构成潜在威胁甚至造成事故。引起开式齿轮传动失效的原因有很多，本文主要对引起起重机开式齿轮传动的失效模式进行了分析，着重分析了从安装、使用的工作环境和维修保养等环节的不合理可能造成开式齿轮传动的失效。因此，起重机开式齿轮传动失效模式的原因分析对起重机的安全运行具有不容忽视的指导意义。

参考文献：

[1]王福绵.起重机械技术检验[M].北京：学苑出版社，2000.

[2]王黎钦，陈铁鸣.机械设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.

[3]陈南平，沈万慈.机械零件失效分析[M].北京：清华大学出版社，1998.