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挖机回转支承使用过程中断齿及解决方案

一、概况
      回转支承断齿问题主要发生在内啮合、硬齿面（齿面硬度≥HRC50）上，比如挖掘机、旋挖钻、履带吊等。而外啮合、软齿面（齿面硬度≤HRC30），断齿现象很少见到。根据笔者对国产挖掘机配套回转支承研究和制造经验，和外资品牌挖掘机回转支承后市场的不完全统计，不同时期，不同品牌国产挖掘机断齿概率有所不同，约在1%~2%，而后市场回转支承的断齿率却高达5%~6%。特别在某些国产品牌的5吨、7吨、8吨挖掘机上，甚至出现两位数百分比的大面积断齿问题。回转减速机总成的损坏总是与回转支承断齿成正比关系，20吨级挖掘机减速机总成的损坏是回转支承断齿的2倍左右。某三个外资品牌20吨级挖掘机回转支承模数分别为10、12、14，但断齿概率却不相上下，甚至相反关系。
二、挖掘机断齿原因分析
      径向倾斜挤压造成的（见图一）。回转支承的齿轮传动与之啮合的小齿轮是“浮动轴传动”，由于回转支承本身存在间隙，在挖掘机工作时，会产生一定的倾翻力矩，小齿轮的中心线就会产生一定角度的倾斜和径向位移，齿轮的中心距和齿侧间隙就会发生变化。

图一  齿轮挤压示意图
      回转支承在出厂时是有间隙的，小齿轮安装在上车架，在主机工作时，回转支承的间隙会导致小齿轮有个径向位移量La,在受倾覆力矩M的作用下，小齿轮又会产生一个倾斜角度α。一般情况下，挖掘机用回转支承的出厂间隙＜0.20mm，经过一段时间的使用，回转支承的间隙＜0.30mm在实际的工作中，滚道会产生一定的弹性变形，在给日立建机配套的一款回转支承，在受载后，滚道和钢球的接触区是面接触（见图二），这么大的接触面积，滚道的单边弹性变形量在0.20mm左右，双边就是0.40mm，仅滚道的变形量就这么大，加上主机的机架变形等等各种因素，联接在挖掘机上车架上的小齿轮的径向偏移量达到1.0mm左右，对应的大小齿轮的挤压量也是1.0mm左右。因与回转支承啮合的小齿轮安装在大臂的相反方向，当两者齿侧间隙过小时，位移尚未完成，小齿轮就压在大齿轮上，这种情况下本应有回转支承滚道承载的载荷却有齿轮承载。大小齿轮反复的挤压们最终导致断齿。结论是回转支承的断齿是由大小齿轮啮合挤压造成。

图二  受载后钢球和回转支承滚道的接触区
三、解决挖掘机用回转支承断齿过程
     回转支承的挤压断齿现象：断齿通常发生在沿齿宽方向的上半部，断裂面与轮齿的上端面相交，并成45°~60°左右的夹角（见图三、四），即使全齿脱落其裂纹也是自上而下扩张所致。齿轮受挤压而产生的塑性变形也相当明显，且上部较下部严重得多，整圈齿槽宽都有不同程度变化，从下至上，从根至顶齿槽宽递增。

图三 断齿图
  图四 有37°斜角断齿图
     对于挖掘机用回转支承的断齿问题，我们一直在努力的寻找解决办法，具体的方案分以下几个过程：
     1、确保大小齿轮啮合的齿侧间隙不小于0.06X模数。对20吨级挖掘机，回转支承的模数是10模，大小齿轮啮合的齿侧间隙不小于0.6mm。在挖掘机配件后市场，由于客户对于大小齿轮啮合时齿侧间隙不太注重，导致断齿率居高不下，于是我们就宣贯断齿与齿侧间隙的关系，让他们了解齿侧间隙控制不好，回转支承断齿是必然。进过几年的宣贯，挖掘机后市场（配件市场）回转支承的断齿率由以前的6%下降到5%左右。
      2、37°斜角齿轮回转支承。将回转支承齿圈非安装面上的齿轮部分由全齿宽改为具有37°的倒角（见图五），回转支承将常发生断裂的部分人为切去，从而在小齿轮发生位移时无法将挤压力集中在齿宽的上部，这样回转支承的齿轮部分不会在使用早期就产生挤压裂纹，可以有效延缓回转支承齿轮早期断齿问题。通过这个改进，经过两年的统计，挖掘机后市场（配件市场）用此回转支承的断齿率由以前的5%下降到4%左右。

图五  37°斜角齿轮式回转支承
      3、渐变硬度齿轮回转支承。既然回转支承的断齿是挤压造成的，如何预防大小齿轮挤压是重点。在齿轮进行感应淬火时，将齿轮加热区段分成正常硬区、过渡区和软区三段（见图六），硬区的硬度为HRC50~56,软区的硬度为钢件基体的调质硬度。这样，大小齿轮啮合产生挤压时，上端面的软区就会产生挤压塑形变形，而不会挤断。经过一年的数据统计，挖掘机后市场（配件市场）用此回转支承没有发生断齿现象，很好的解决了断齿问题。

图六  渐变硬度齿轮式回转支承
      经过实验，当回转支承渐变硬度齿轮在受挤压产生的软齿面变形2mm时（见图七），大小齿轮仍能正常啮合，完好的传动；当软齿面挤压变形达到3mm时（见图八），过渡区及硬齿面区产生断裂现象。

图七 实验中，在齿轮上端面挤压变形2mm时的齿轮情况

图八  实验时齿轮上端面挤压变形3mm时的断齿情况
     以解决断齿的方法是加大大小齿轮的齿侧间隙，但是一味的的加大齿侧间隙，会导致挖掘机铲斗左右摆动量增大，这是任何主机厂和挖掘机客户都不愿意看到的结果。渐变硬度齿式回转支承很好的解决了这一问题，上面已经介绍，经过实验，当小齿轮对大齿轮挤压2mm时，渐变硬度齿能完好的正常工作，挖掘机和旋挖钻在正常工作时，大小齿轮的挤压量是不会超过2mm的，对于大小齿轮啮合时的齿侧间隙可以适当的减小。在回转支承出现断齿的时候，回转减速机构也同样出现损坏的情况，大小齿轮啮合不产生挤压后，回转减速机构的损坏也大大降低。这样，渐变硬度齿式回转支承即解决了断齿问题，又能控制挖掘机和旋挖钻大臂的摆动问题，同时又降低了回转减速机构的损坏，起到一箭三雕的目的。
四、结论
    渐变硬度齿式回转支承投放市场有一年多的时间，二千多套产品，至今未出现一套断齿问题。渐变硬度齿式回转支承是对挖掘机、旋挖钻渐变硬度齿式回转支承投放市场有一年多的时间，二千多套产品，至今未出现一套断齿问题。渐变硬度齿式回转支承是对挖掘机、旋挖钻等工程机械断齿问题的一次革命性的突破，彻底的解决了断齿问题。