電動閥門IB型齒輪箱故障分析及對策

電動閥門IB型齒輪箱故障分析及對策介紹了某化工裝置電動閥門的IB型齒輪箱中錐齒輪、平面軸承及其軸套等主要零部件損壞情況，從工況、選型和構造形式等方面開展原因分析，并從齒輪箱的構造形式、齒輪嚙合位置及檢查維護制度等方面提出了改良的方法，提高了電動閥的使用壽命。1、概述

隨著工業(yè)自動化控制技術的日益發(fā)展，電力、冶金、石油化工及環(huán)保等眾多行業(yè)使用電動裝置來實現(xiàn)閥門的計算機程控、遙控及現(xiàn)場控制已經(jīng)成為一種趨勢。由于齒輪箱具有改變傳動方向、增大轉動力矩和減速等特點，一般要求較大啟閉力矩的閥門電動裝置都會選擇安裝齒輪箱，通過齒輪箱將電動裝置電機輸入的高速低扭矩動力轉換成低速高扭矩的啟閉力矩輸出，以到達高性價比組合。因此，真空技術網(wǎng)(http:///)認為齒輪箱的構造和性能是電動裝置及閥門長期正常運行的關鍵。2、構造原理

IB型齒輪箱是一種多回轉電動閥門齒輪箱，由傳動軸、錐齒輪、傘形齒輪、銅螺母、平面軸承、O形圈、托盤及軸承座等組成(圖1)。電動裝置通過傳動軸帶動錐齒輪轉動，傘形齒輪通過與錐齒輪的嚙合實現(xiàn)旋轉運動，銅螺母通過與傘形齒輪的花鍵連接實現(xiàn)轉動，最后閥桿通過與銅螺母的梯形螺紋配合實現(xiàn)直線升降運動，從而控制了閥門的開啟或關閉。

1.傳動軸2.錐齒輪3.傘形齒輪4.平面軸承5.銅螺母6.閥桿安裝處7.O形圈8.托盤

圖1直齒圓錐齒輪箱3、工況分析

按照相關數(shù)據(jù)規(guī)定，電動閥門IB型齒輪箱磨損件的設計壽命周期為2萬圈。以電動閥門(14in.-300LB)為例，每4天開關一次，開關單行程為22.5圈，每4天為45圈，一年為4107圈，按此計算至少運行4.87年。根據(jù)裝置的實際情況，發(fā)現(xiàn)齒輪箱沒有到達使用壽命的要求，使用1年后該批電動閥門連續(xù)出現(xiàn)多次齒輪箱損壞的情況，損壞部件更換后，2個月內(nèi)又出現(xiàn)同樣的問題。常見的故障有錐齒輪大端的磨損，銅螺母磨損，平面軸承及止推墊圈損壞及閥桿梯形螺紋損傷等現(xiàn)象。

(1)錐齒輪大端的磨損。錐齒輪大端的磨損約占整個齒長的1/5，嚙合部位磨損嚴重(圖2)。

圖2錐齒輪大端磨損

(2)銅螺母磨損。銅螺母軸承座外圓及配合斷面均嚴重磨損(圖3)。

圖3銅螺母磨損

(3)平面軸承及止推墊圈損壞。止推墊圈摩擦面出現(xiàn)外低內(nèi)高且變形量較大，單側面呈弧形。滾道磨損量外側大于內(nèi)側。斷裂推力圈顏色發(fā)藍。保持架因旋轉受阻，被擠而變形破裂(圖4)。

圖4平面軸承及止推墊圈損壞

(4)閥桿梯形螺紋損傷。閥桿螺紋與銅螺母配合的梯形螺紋傳動面嚴重磨損(圖5)。

圖5閥桿梯形螺紋損傷4、故障分析4.1、電動傳動機構選型

選取14in.(DN350)平行雙閘板閥，驗證閥門軸向力對平面軸承的磨損及其所造成的過早疲勞和斷裂，核算閥門開啟瞬時的總軸向力和閥門開啟扭矩(表1，表2)，確定傳動機構軸向力選擇的合理性，以及推力軸承滿足設計要求的情況。

表1技術參數(shù)

表2計算結果

分析計算結果及齒輪箱參數(shù)(最大可承受軸向力為177kN，額定扭矩為726N·m)可以得出，齒輪箱的損壞不是由于閥門的操作推力或扭矩過大引起的，同時在選型過程中通過軸向力選擇的電動傳動機構基本符合電動裝置的要求。4.2、軸承及機座

齒輪箱軸承采用AXK型滾針與保持架推力組件+AS系列兩件相同的止推墊圈。軸承外徑為70mm(14in.(DN350)閥門)，軸承能承受的最大靜載荷為254kN，而閥門在最大壓差下的開啟軸向力為56kN，由此可見，若各滾針均勻受力且重心應在滾針的長度中部的話，其負載能力是足夠的。

(1)軸承與機座配置

軸承選用AS系列1mm厚彈簧鋼制成的止推墊圈是為了縮小軸承軸向尺寸、解決機座硬度不夠、不耐磨等問題。按照相關數(shù)據(jù)規(guī)定，AS系列止推墊圈可以用作滾道，如果鄰近的設備部件沒有經(jīng)過硬化，但有足夠的剛性并且運行精度需求適中的情況下，AS系列墊圈可以用于提供經(jīng)濟型軸承的配置。但在選擇使用時未考慮到由于機座面硬度低，當滾針在止推墊圈上滾過時，出現(xiàn)軸承止推墊圈與機座彈塑性變形，相當于在橡膠上放上一層較薄的硬質金屬件，易造成軸承損壞，并沒有起到設計規(guī)定的作用。

(2)軸承運轉特點

滾針推力軸承運轉時，是一個圓柱體在圓環(huán)面上的運動，內(nèi)、外圓周的長是不相等的，若要使?jié)L柱必須作圓周運動，滾針與止推墊圈之間必然存在滑動現(xiàn)象。滾針要到達繞環(huán)形軌跡運行，只能依靠保持架來引導。這時滾針的中心線與保持架中心線必定會存在著角度偏差，而且滾針對保持架存在著向外的徑向分力。當滾針受力不均勻時，滾針對保持架向外的徑向力不對稱，造成保持架趨向偏移，內(nèi)圈與銅套發(fā)生異常的強摩擦，保持架運行受阻及附加力最終導致?lián)p壞。

(3)止推墊圈斷口

對損壞的墊圈檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有少量夾渣，斷口為擠壓碎裂，硬度為55HRC。分析得出，斷裂原因主要是推力圈局部受壓后，彎曲應力集中引起的斷裂。軸承工作過程中，墊圈的部分斷裂現(xiàn)象與支承推力圈的基面硬度、兩者之間接觸面積、受力均勻度有關。軸承止推墊圈的自身剛性較差，軸承座、銅套軸承機座材料較軟，導致軸承的止推墊圈、滾針及保持架局部受力超出了設計載荷，潤滑被破壞而產(chǎn)生高溫、變形及損壞，是齒輪箱損壞的主要原因之一。4.3、齒輪磨損

檢查發(fā)現(xiàn)齒輪的嚙合位置均在大圓側，且小齒輪磨損嚴重，這是齒輪傳動中典型的齒輪不良接觸形式。正常的嚙合痕跡應該是小齒輪偏向小端接觸長度為有效齒長的2/3～3/4。而傘齒輪底面與托盤之間磨損異常，靠近錐齒輪側最深處有2mm(圖6)。由此可見，裝配時由于傳動軸軸向位置太靠近齒輪箱側，使得2個齒輪配合間隙非常的小，增加了對傘齒輪往下壓的附加力和傾覆力矩。錐齒的小端因傘齒輪對其軸線受向上反作用力而彈性變形，僅大端參與了傳動，造成上述的故障現(xiàn)象。進一步加大了對滾針軸承的軸向力而且還影響了各滾針的均勻受力，加速了其損壞。

圖6傘齒輪底面托盤磨損4.4、銅套及閥桿磨損

由于傘齒輪傾覆力矩的存在，迫使銅套與各相關零件發(fā)生磨損。磨損后的磨屑掉入滾針軸承后在滾針和止推墊圈之間開展輾壓，從而導致滾針滾動受阻，使得保持架旋轉受阻被擠壓而損壞，加快了滾針軸承內(nèi)部件的損壞。損壞部件的小碎片擠出軸承座O形圈后，參加銅套內(nèi)螺紋與閥桿的磨損中，隨閥桿螺紋上升和下降，加速了銅螺母內(nèi)螺紋的磨損，同時也導致了閥桿螺紋表面的劃傷，從而更加劇了銅螺母的磨損。5、措施與對策

(1)改良軸承形式

優(yōu)化齒輪箱設計，將滾針軸承更換為止推墊圈較厚的球面滾子推力軸承，可以解決由于機座較軟，產(chǎn)生塑性變形的問題。若是臨時措施，將平面滾針軸承更換為具有良好潤滑作用的平墊片也可。

(2)選擇合理開關力矩

電動閥門采用的是力矩和行程限位相結合的方式。在閥門調(diào)試過程中，保證閥門密封性的同時，盡可能的將其開關閥門的力矩設定值降低，以減少閥門開關時對齒輪箱的沖擊。

(3)調(diào)整齒輪嚙合位置

調(diào)整齒間的嚙合位置，同時控制電機軸對錐齒輪軸軸向位移的干擾，減小傘齒輪軸向力及非旋轉方向傾覆力矩。

(4)定期檢