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行星减速机损坏原因及改进措施

日期:2021-12-16

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摘   要:行星架支撑轴承损坏、输入轴支撑轴承损坏和太阳轮支撑定位失效约占直进式拉丝机行星减速机非正常损坏的80%。分析多品牌行星减速机结构,把多种机型一级行星架实际轴、径向载荷比例与配置轴承轴、径向承载能力比例进行比对,证实其轴承和支撑的轴向承载能力不足是轴承损坏或支撑失效过快发生的首要因素。在输入端和太阳轮支撑中增加轴向承载能力强的轴承和改变支撑方式,可使轴承的寿命有效延长5~7a。


关键词:行星减速机;直进式拉丝机;轴向承载能力;损坏原因;改进措施


1  行星减速机安装结构


行星减速机具有减速比大、扭力大、相对体积小、安装方便等优点,广泛运用于直进式拉丝机(特别是大型直进式拉丝机)中。大多数的直进式拉丝机为立式拉丝机,拉丝卷筒的轴线成竖直方向,因此,行星减速机用于直进式拉丝机的主传动系统时,多为竖直的安装方式,减速机输入轴通过带轮将运动输入,经过1~2级行星减速机构减速,运动由输出轴传递给卷筒,减速机的中部法兰通过一定的方式与拉丝机工作台固连。其安装图如图1所示。行星架支撑轴承损坏、输入轴支撑轴承损坏和太阳轮支撑定位失效约占行星减速机非正常损坏的80%。笔者对其主要损坏因素进行分析并提出改进措施。


2  减速机损坏因素分析


2.1行星架支撑轴承损坏


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图1  行星减速机安装示意图


2.1.1轴向载荷来源


行星减速机用于立式直进式拉丝机时,行星架支撑轴承要承受较大的轴向载荷,这些载荷主要来源于:(1)与一级行星架相连的卷筒及其附件自身质量;(2)行星架及行星轮自身质量;(3)不同情况下钢丝给卷筒施加的轴向力;(4)集于卷筒上的钢丝质量;(5)装配过程中的轴向静压力或冲击力。


2.1.2轴向与径向载荷比


在使用过的拉丝机中,一级行星架所受轴向载荷与径向载荷的对比见表1。表1中轴向载荷仅考虑卷筒及附件自身质量,径向载荷仅考虑径向拉拔力。


表1  一级行星架轴向和径向载荷对比

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2.1.3圆柱滚子轴承轴向负荷能力分析


通常行星减速机行星架轴承基本都采用圆柱滚子轴承。图2是某品牌行星减速机的行星架支撑结构图。每一级行星架都通过圆柱滚子轴承支撑,在竖直安装中,其轴、径向载荷的比例见表1。设计者有意增大圆柱滚子轴承的型号,采用径向滑动轴承这种径向尺寸紧凑的方式为外围的圆柱滚子轴承让出空间。但实际使用中,这个地方首先出现破坏,整个减速机由于此处的定位失效而报废。


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图2  行星架支撑结构图(单位:mm)


圆柱滚子轴承油润滑时所允许承受的最大轴向载荷[1]:


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其中:


Fap———允许最大轴向载荷,N;

C0r———基本额定静载荷,N;

K———与轴承系列有关的系数,2、3系列轴承取K=0.2;

ng———轴承受纯径向载荷时的极限转速,r/min;

n———轴承实际工作转速,r/min。


从式(1)中看出

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是一个小于1的数,因此,Fap是一个小于0.2C0r的数。


采用多组轴承按实际工作转速进行计算,所允许的最大轴向力仅为基本额定动载荷的6%~10%,且规格越大比例越低。当用于直进式拉丝机的行星减速机竖直安装时,轴向力在未考虑行星架、行星轮质量、附加给卷筒的力以及装配时力的情况下,其比例已经超过10%。由此判断,轴向负载能力存在问题。


二级行星承受一级行星通过中心太阳轮传递下来的部分轴向力、自身行星架及其行星轮等自重产生的轴向力。由于二级行星采用的轴承比一级行星轻且小,额定载荷能力有限,也是容易损坏的零件。


2.2输入端轴承损坏


在减速机的输入端,输入轴与皮带轮相接,除了带轮质量是轴向力的来源外,另一个来源是由于直进式拉丝机中卷筒倾斜一定角度,两带轮的高度和角度不能完全调整到一致,导致带轮传动中产生较大的轴向力。当这个力向下时,就会与带轮的质量相叠加形成一个较大的向下轴向力。


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图3  原输入端结构


图3为某品牌行星箱的输入端结构。使用不到半年,接连发生减速机输入端轴承损坏的情况。因为2套轴承都是轴向承载能力较差的轴承,所以改为图4结构,增加圆锥滚子轴承,并新增进油孔,使轴承润滑充分,轴向支撑能力和轴承的润滑状况得以改善,已使用5a,没有发生输入端损坏的情况。


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图4  改进后输入端结构


2.3太阳轮支撑定位失效


竖直安装的行星减速机,中心太阳轮受到的轴向力比卧式安装的减速机要大,主要来源于行星架。使用中多次发生太阳轮支撑定位失效的情况,定位失效导致零件移位、齿轮无法正常啮合、非正常磨损和零件破损;如果处于上部的零件首先磨损或破损,磨屑和碎块就可能直接损坏下部零件,甚至导致短时间内发生整机报废。图5、图6、图7是常见的几种支撑形式。


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图5  复合太阳轮支撑形式


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图6  可倾瓦推力轴承太阳轮支撑形式


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图7  深沟球轴承太阳轮支撑形式


从设计结构来看,各个厂家的设计理念不同。图2、图6着重解决轴向力问题,其他的主要解决径向定位兼顾解决轴向力问题;图5的结构轴向和径向都考虑比较周到。


从使用情况看,图2支撑形式使用8a没有发生损坏。这种支撑形式轴向承载能力较强,径向定位主要靠下端太阳轮轴与行星架中孔的花键定位,较为稳固。


图6支撑形式破坏发生最早和最多,一般为球头破损和磨损,其中磨损的形式表现为黏着磨损,完全黏着在一起。分析其原因,一是其刚性和强度都比较低,易受力变形和损坏;二是接触面积比较小,散热差,在承受较大轴向力的前提下高速旋转(二级行星太阳轮转速在600~1200r/min)极易产生高温,导致材料的表面强度和硬度降低以及润滑油膜的破坏。金属的磨损量与接触压力、摩擦距离(转速高,一定时间内的摩擦距离就长)成正比,与材料硬度成反比;磨损量同时还与材料的凸出部分尖端形状有关[2]。图6的尖端形状较为尖锐,单位面积受力大,散热差,所以磨损快。


对磨损起决定作用的是摩擦副材料的硬度,特别是彼此接触的摩擦副双方的硬度差[3],因此将图6改成图8形式,采用轴承钢淬火嵌入太阳轮本体,其淬火硬度可达60~66HRC,表面粗糙度也容易提高等级(Ra在0.8以上),消除硬度差,材质耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性均可保证,符合滑动轴承材质要求[4]。这种结构很牢固,适当扩大了接触面积,有效降低温升,使用7a未发生损坏。


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图8  轴承钢嵌入本体的太阳轮支撑结构


图7支撑形式也发生过破坏,这种方式采用径向定位,比较适合卧式安装,但用于立式拉丝机中时,从行星架传递来的轴向力比较大,在轴承较轻的情况下,承受轴向载荷的能力很弱,因此容易损坏。


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图9  改用圆锥滚子轴承的太阳轮支撑形式


图9是改进过的支撑结构:选择圆锥滚子轴承,其径向和单方向轴向承载能力均很好[5]。多对轴承使用统计对比:相同尺寸的圆锥滚子轴承基本额定静载荷约为深沟球轴承的3~5倍,基本额定动载荷为深沟球轴承的1.5~2.5倍;深沟球轴承任一方向轴向负荷可达未被利用的许用径向负荷的70%,圆锥滚子轴承一个方向的轴向负荷可达未被利用的许用径向负荷的70%[6]。采用图9形式,比原结构在径向和轴向负荷能力提高1.5~2.5倍,效果相对较好,使用7a没有发生破坏。


2.4行星轮定位支撑


在行星减速机中,由于结构尺寸的限制,行星轮的径向定位支撑都采用滚针轴承。不同的是,有的采用双列滚针轴承(图6、图7),有的采用四列滚针轴承(图5);轴承有的无内圈,有的无外圈。在拉丝过程中,要求减速机一直克服拉拔力单方向驱动卷筒旋转,所以行星轮一直沿着自己的轨迹在自转的同时作一个方向的公转。而这个过程中,行星轮轴(或轴承内圈)是不作自转的,因此一直单方向受力(图10)。如果滚针轴承无内圈,造成轴单面磨损;如果有内圈,受力的方向也会首先磨损;如果滚针轴承无外圈,则行星轮内孔充当轴承外圈,但是由于有自转,磨损会比较均匀。


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图10  行星轮轴受力示意图


当行星轮轴或滚针轴承内圈单面磨损后,定位的作用自然消失,齿轮啮合正确性得不到保证,导致齿轮的非正常损坏及其他机件的损坏。


行星轮轴或轴承的损坏并不是行星减速机最早发生故障的地方,但却是在使用一定时间后经常会发生故障的地方。


3  结语


用于立式直进式拉丝机的行星减速机,行星架支撑轴承和太阳轮支撑轴承以及输入轴的支撑轴承都会承受较大的轴向力。除了选择足够的扭矩和传递功率,还要了解内部轴承的配置情况,特别要重视行星架轴承的轴向承载能力;太阳轮的支撑在结构上应选择强度好且轴向承载能力比较好的方式;行星轮轴承最好是有内圈的;输入端轴承的配置要有能承受较大向下轴向力的轴承。否则会由于轴承定位的失效,造成其他重要零部件的非正常损坏,缩短减速机的寿命。