蜗轮蜗杆减速机常见故障原因与处理方法

贾昌炎

山东万维传动科技有限公司 山东 济南 250200

摘要：在我国快速发展过程中，工程发展十分迅速，推钢机电机带动蜗轮蜗杆减速机，减速机带动主动轮，主动轮带动推头，从而实现将钢坯推入加热炉的动作。在推钢机整个传动系统中蜗轮蜗杆减速机是最重要的环节，它不但将动力传动到工作单元，也还承担重载荷。在一次重大故障中，因推钢机减速机蜗轮蜗杆传动失效，轮齿磨损(齿厚只剩原齿的15%左右)。

关键词：蜗轮蜗杆;故障分析;解决方法

引言

蜗轮蜗杆减速机是减速机的一种，其结构紧凑，较其他减速机传动比大，并且动力只能单方向从蜗杆传递给蜗轮。由于机械材质和工作环境等因素的影响，虫禺轮是蜗轮蜗杆减速机中最容易受到损坏而失效的零件。蜗轮故障会直接导致蜗轮蜗杆减速机不能安全有效地运行，影响工业生产，严重者甚至会导致安全事故，引发重大人身安全灾难。随着蜗轮蜗杆减速机的广泛应用，其发生故障或者失效给整个生产行业和社会造成的损失越来越大[f2l。我国某科学测量船在一次出海测量任务执行中，由于减速机的突发故障一一齿轮局部折断，导致整个船队不得不减速行进，严重拖延了整个船队科学测量任务的执行[3}020世纪80年代，苏联核电站的某个发电机组发生齿轮故障，导致核泄漏，该事故不仅严重污染了周围环境，而且直接导致2000多人丧命，给周围居民的人身及心理安全造成很大的恶劣影响。

1设备特点

减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。蜗轮蜗杆减速机具有传动比大、运行平稳等优点，广泛应用于化工行业、机械加工行业及自动化生产线等等。蜗轮和蜗杆是减速机的关键零部件，由于蜗轮蜗杆材料的不同，在运行过程中，会造成蜗轮蜗杆的磨损和失效。一般情况下，蜗杆材料硬度比蜗轮材料硬度大，因此，必须及时发现故障原因并及时处理。RV系列蜗轮蜗杆减速机，机械结构紧凑，体积轻小，一般用于低转速、扭矩大的设备上，把电动机高速运转的动力通过减速机的蜗杆输入传递到蜗轮输出上来达到减速的目的，蜗轮相等于齿轮，蜗杆相等于齿条。减速机工作时蜗轮不断受到蜗杆的磨损，蜗轮是减速机中最容易损坏的零件。蜗轮的损坏会直接导致减速机不能安全正常地工作，直接影响生产甚至会造成安全事故，引发重大人身安全事故。

2失效原因分析

一是轴承的损坏直接影响蜗轮蜗杆的正常啮合，也就是说失去了蜗轮蜗杆正常工作所具备的几项技术要求。润滑油由于杂质较多，润滑效果变差，不能正常形成油膜，增加蜗轮蜗杆的磨损。蜗轮蜗杆载荷过大，频繁启动，强行摩擦，加剧磨损。二是轴承的损坏原因。一种是装配轴承时，装配调整不当，轴向窜动量过大。轴承压盖螺栓预紧力不均匀，螺栓松动。另外，润滑油不能正常通过刮油板进行导流，润滑油不能到达轴承位进行润滑，温度升高，材料硬度降低，产生粘连或磨损，最后导致轴承损坏。三是刮油板磨损变形。刮油板为铜质材料，正常情况下，刮油板不受力，只与蜗轮齿侧端面产生轻摩擦，进行润滑油的引流。润滑油经过油槽流进轴承进行润滑。蜗轮轴轴向窜动量较大，蜗轮轴就会下沉，工作中带有载荷运动时会产生侧向偏移。当蜗轮轴轴向偏移量大于2mm时，刮油板抵抗不了蜗轮的偏移，导致刮油板变形、磨损或位置后移，而另一端脱离蜗轮不能导流，轴承润滑不良，造成磨损。四是由于蜗杆材料硬度高，耐磨性好，蜗轮材料为铸铝青铜，材质较蜗杆软，磨损只能在蜗轮上产生。

3蜗轮蜗杆减速机常见故障原因的处理方法

3.1融合诊断系统

基于SVM和D-S证据理论的多传感器信息融合故障诊断系统利用多个传感器对诊断对象进行数据采集，然后分别对多个传感器的振动数据进行EMD分解来获取故障特征，再分别利用多分类支持向量机进行故障分类，获取各证据体(即每一个传感器数据经SVM分类器的初步诊断结果)对于各故障类型的基本概率分配函数，最后利用证据理论对多个证据体进行数据融合，得到最终的基本概率分配函数，利用最大信任原则对故障类型做出决策。

3.2设备运行参数条件分析及解决方案

锥加工车间封接面研磨机是由抛光机改造而来,采用37kw2级电机驱动,转速较高。玻锥分8个工位压在研磨盘上,每个工位有约40kg负重。负荷较高是减速机寿命短的重要原因。因工艺条件所限,负重减轻方案被排除。我们从转速入手,每台电机加装一台变频器,通过频率调节降低减速机输出功率从而降低减速机负荷。n=60f/p(1)T=9550P/n(2)T为电机输出转矩;P为电机输出功率;n为电机转速;f为变频器输出频率;p为电机旋转磁场极对数,本例为2。从式1可知,电机转速与频率成正比因研磨盘所需转矩在特定的工艺条件下为一定值,这样电机输出功率与转速就成线性函数:P=T/95500*n(3)将式(1)代入式(3)得:P=0.00314*T*f(4)由式4可知,电机输出功率与变频器输出频率成正比。当变频器频率降低时电机输出功率相应降低,从而有效降低减速机负荷。通过反复试验我们得出,当变频器输出频率处于33Hz～40Hz之间时,减速机达到最佳运行状态。频率低于33Hz时减速机输出功率太小,研磨盘启动困难；频率高于40Hz时,减速机负荷增大,温升明显,振动增强。

3.3蜗轮和蜗杆材料

制造蜗轮蜗杆的材料要有优良的耐磨性，足够的强度和良好的康胶合性。蜗轮常用材料为青铜和铸铁。铸造锡青铜（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5）耐磨性好，抗胶合性好，价格高，强度低，用于滑动速度大于3m/s的传动。铸造铝铁青铜（ZCuA110Fe3）耐磨性差，抗胶合差，价格低，强度高，用于滑动速度小于4m/s的传动。灰铸铁，效率低，用于滑动速度小于2m/s。蜗杆常用材料为碳素钢和合金钢，低速传动蜗杆可采用40、45钢调质处理硬度（HBS）为220～300，一般传动蜗杆可采用40、45表面淬火硬度（HRC）45～55，高速重载传动蜗杆可采用20CrMnTi、20Cr渗碳淬火硬度（HRC）56～62。由于蜗轮蜗杆磨损与材料密切相关，因此，用新材料来替代成为提高蜗轮蜗杆使用寿命的关键。锌铝合金（ZA27）有良好的力学性能和较高的强度，良好的铸造和加工性能，良好的塑性和韧性，良好的摩擦性能相当于锡青铜（ZQSn10P1），磨损率、表面升温低于锡青铜（ZQSn10P1），使用寿命比锡青铜（ZQSn10P1）多3～5倍，成本也比锡青（ZQSn10P1）低25%～30%，可以作为替代蜗轮材料之一。

结语

1)研究了低速蜗轮蜗杆减速机的典型结构、零件组成并结合蜗轮蜗杆啮合的物理模型分析了故障特征。设计了故障诊断方案，并以RV系列低速蜗轮蜗杆减速机为研究对象搭建了实验台，合理地选择了传感器的安装位置。2)结合实验数据，对比分析了信号的时域、频域及时频域分析结果，并最终选用经验模式分解来对振动信号进行处理，以提取特征向量，为故障诊断提供依据。3)利用测得的减速机振动数据对比分析了不同核函数及其相关模型参数对于模型分类效果的影响，并针对该问题提出利用粒子群算法来对模型参数进行优化。利用优化后的算法对减速机进行了故障分类，对比未进行参数优化的支持向量机，分类效果得到了提高。

参考文献

[1]王丽佳.减速机故障诊断与解决方法[J].液压与气动，2011（3）：101-103.

[2]濮良贵.机械设计(第5版)[M].西北工业大学机械原理及机械零件教研室.