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    電動閥門BA型齒輪箱故障分析及對策
    [ 來自:不詳  閱讀:   時間:2021.07.02 ]
    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、選型和結構形式等方面進行原因分析,并從齒輪箱的結構形式、齒輪嚙合位置及檢查維護制度等方面提出了改

    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、選型和結構形式等方面進行原因分析,并從齒輪箱的結構形式、齒輪嚙合位置及檢查維護制度等方面提出了改進的辦法,提高了電動閥的使用壽命。


    1、概述

      隨著工業自動化控制技術的日益發展,電力、冶金、石油化工及環保等眾多行業使用電動裝置來實現閥門的計算機程控、遙控及現場控制已經成為一種趨勢。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,以達到高性價比組合。因此,真空技術網(http://www.chvacuum.com/)認為齒輪箱的結構和性能是電動裝置及閥門長期正常運行的關鍵。


    2、結構原理

      BA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旋轉運動,銅螺母通過與傘形齒輪的花鍵連接實現轉動,最后閥桿通過與銅螺母的梯形螺紋配合實現直線升降運動,從而控制了閥門的開啟或關閉。


    直齒圓錐齒輪箱


    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

      按照相關數據規定,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。根據裝置的實際情況,發現齒輪箱沒有達到使用壽命的要求,使用1年后該批電動閥門連續出現多次齒輪箱損壞的情況,損壞部件更換后,2個月內又出現同樣的問題。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)。


     錐齒輪大端磨損


    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)。


    銅螺母磨損


    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外低內高且變形量較大,單側面呈弧形。滾道磨損量外側大于內側。斷裂推力圈顏色發藍。保持架因旋轉受阻,被擠而變形破裂(圖4)。


    平面軸承及止推墊圈損壞


    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)。


    閥桿梯形螺紋損傷


    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


    電動閥門IB型齒輪箱故障分析及對策


    表2 計算結果


    電動閥門IB型齒輪箱故障分析及對策


      分析計算結果及齒輪箱參數(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。按照相關數據規定,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面上的運動,內、外圓周的長是不相等的,若要使滾柱必須作圓周運動,滾針與止推墊圈之間必然存在滑動現象。滾針要達到繞環形軌跡運行,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,內圈與銅套發生異常的強摩擦,保持架運行受阻及附加力最終導致損壞。


      (3)止推墊圈斷口


      對損壞的墊圈檢查發現內部有少量夾渣,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

      檢查發現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。


    傘齒輪底面托盤磨損


    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進行輾壓,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,加快了滾針軸承內部件的損壞。損壞部件的小碎片擠出軸承座O形圈后,加入銅套內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)改進軸承形式


      優化齒輪箱設計,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)調整齒輪嚙合位置


      調整齒間的嚙合位置,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)定期檢查維護


      定期檢查閥桿潤滑脂內有無銅屑,拆開齒輪箱上蓋,檢查齒輪嚙合的位置。


    6、結語

      改進后,電動閥門齒輪箱運行半年后各部件運行良好,經檢查未發現嚴重磨損和損壞情況。通過此次故障分析和技術改造,為閥門電動裝置的設計與選型提供了合理的參數和依據,為化工裝置長周期運行積累了技術知識和實際經驗。

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