进口立磨减速机推力瓦及偶件损坏原因分析
2022-08-22冉学平1 马海军2 刘旭1 杨建平2 岳智慧2 刘维2
（1.成都名辰传动设备有限公司；2.四川理工技师学院）
摘 要：某进口立磨减速机推力瓦及其调整垫、瓦座三者间高强度连接螺栓松动及断裂，不是材料、制造工艺和安装质量等因素导致的，而是结构设计存在不足造成的气蚀现象。气蚀现象的产生完全属于Z源头结构设计存在问题，即推力瓦座外边缘与推力瓦安装孔配合太紧密，基本没有间隙。维修时改变推力瓦座结构，增大推力瓦座外边缘与推力瓦安装孔配合间隙，消除气蚀现象产生的先决条件，维修后运行效果良好，运行半年后未见异常。
关键词：减速机；推力瓦；气蚀
0 引言
立磨作为一种粉磨设备，在矿山、火电、水泥生产中被广泛应用。国内外立磨减速机皆由箱体、行星架、齿轮、轴及轴承等组成[1]。当前，我国已实现立磨减速机国产化，且设计制造水平已得到国内外工程界的认可。
某进口大型立磨减速机内部传动系统分为三级传动，级为锥齿轮副传动，第二、三级皆为行星周转轮系传动结构[2]。该减速机经过几代改进设计制造，可靠性越来越高，但推力瓦、推力瓦调整垫、推力瓦座三者间高强度连接螺栓松动及断裂已成普遍现象[3]。国内某大型集团使用的7台同类机型就是如此，经过多次优化设计，将螺栓个数增加到6个，螺栓直径增大到M24，性能等级提高到12.9，该情况仍未得到解决，给立磨减速机的使用带来了极大隐患，原厂家派出多批服务工程师及专家现场调研，但始终未给出合理解释。
我公司于2020年4月接到该立磨主减速机维修任务，认真研究，找到了解决该问题的有效办法，本文对此进行总结。
1 推力瓦瓦面高度检测
我公司于2020年4月中旬对某公司进口生料立磨主减速机进行了解体维修。立磨减速机中12块推力瓦呈圆周分布，其分布示意图见图1。
图1 推力瓦分布示意图
在回装推力瓦前，观察12块推力瓦合金面接触痕迹，依据瓦面接触印痕判定减速机在使用时瓦面高度是基本一致的。推力瓦、推力瓦调整垫及推力瓦座安装后结构示意图如图2所示。
图2 推力瓦安装结构示意图
12块推力瓦中，9号推力瓦瓦座有裂纹，由于不清楚原始厂家制造工艺，为了验证瓦座开裂后是否因为产生裂纹而释放内应力导致瓦座变形，故在装配时对所有推力瓦瓦面高度（即瓦面共面度）都进行了初步检测。检测方法：用1 500 mm游标卡尺贴实两块瓦面，两人用手压紧游标卡尺两端，另一人用0.03 mm的塞尺检测，都未能塞出间隙；对于9号瓦，我们从8号及10号瓦两个方向都进行了检测，亦未测出间隙。这种检测方法对于高差较大的间隙是很容易检测出来的，0.03 mm的塞尺塞不出间隙则理论上来说高差应该在0.02 mm以内。
油压检测试验时发现各推力瓦间高压油压力差异较大，停机放油后对推力瓦与输出法兰的间隙进行了再次检测，发现2、3、8、9号瓦分别能塞进0.20 mm、0.20 mm、0.25 mm及0.40 mm的塞尺，表明这种状况下2、3、8、9号瓦面分别低了0.10 mm、0.10 mm、0.125 mm及0.20 mm。然后我们又把磨辊落下，再依次用塞尺检测，结果所有瓦面与输出法兰之间都没有了间隙，表明这种情况下，所有瓦面高度基本一致。
2 推力瓦座损坏原因分析
2.1 气蚀现象
气蚀现象是指流体中的气泡在压力、速度达到临界值时瞬间溃灭，在溃灭瞬间产生极大的冲击力和高温，气泡破裂瞬间所有的能量集中在破裂点上，产生几千牛顿甚至更高的冲击力，冲击力的压力高达2 000 MPa以上，大大超过了大部分金属材料的疲劳破坏极限，固体表面在经受这种高冲击力的多次反复作用下，材料发生疲劳剥落，使表面形成小凹坑，进而发展成海绵块状；同时由于气泡溃灭瞬间产生的高温使得夹带在气泡内的少量氧气等活泼气体对金属表面产生电化学腐蚀，电化学腐蚀会加速气蚀的破坏作用。
流体中气泡的形成：当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸汽压力时，将在固体表面附近形成气泡[4]。气蚀通常发生在离心泵叶轮（液体流入和流出端速度和压力产生急剧变化）和阀门（液体流过节流孔前后流道面积的变化会导致速度与压力的急剧变化），在其它情况下很少发生。
2.2 润滑油的粘压特性
润滑油的粘压特性是指润滑油的粘度随着压力变化而变化的特性[5]。当压力变化较小时，润滑油粘度变化甚微，基本可忽略不计；当压力变化较大超过20 MPa时，润滑油的粘度会随压力增大而成指数级增大[6]。即：
vp=v0ebp （1）
式中：
v0—压力为105 Pa时的粘度值；
vp—相对压力为p时的粘度值；
b—与油液有关的系数；
p—介质压力。
正因为润滑油的粘压特性，所以重载齿轮副传动，在主、从动齿轮齿面足够光滑的情况下，润滑油足以把相互啮合的一对轮齿隔开自身也不会破裂，即形成一薄层高压润滑油膜。因此，齿轮副传动时只要润滑不失效，轮齿表面磨成镜面后磨损就自然终止了。
2.3 推力瓦、推力瓦座及推力瓦调整垫气蚀现象
如图3、图4、图5所示，分别为推力瓦背面、推力瓦座、推力瓦调整垫，图6为典型气蚀现象。通过图3～图6腐蚀现象对比，图3～图5的腐蚀现象明显就跟图6一样属于气蚀现象。通过图4与图5腐蚀区形状对比发现，其腐蚀区形状完全一致，这就说明图4与图5即推力瓦座与推力瓦调整垫的损坏并非由于原料及制造工艺不合格导致的损伤，损伤区域一致说明他们损伤区域之间相互发生了反复冲击力作用，且该冲击力的大小超越了其材料的疲劳极限。
图3 推力瓦背面图
图4即推力瓦座产生了裂纹，且裂纹深度达到了20 mm左右，参见图7裂纹无损探伤图片。裂纹基本处在损伤Z严重几个区域的对称中心线上，因为在两边施加压力时在对称中心线上产生的弯矩大，在持续反复作用下材料容易从应力集中处产生疲劳裂纹。应力集中因素很多，材料缺陷、加工粗糙度、退刀槽、倒角、圆弧、台阶过度处等等，当然在压力超过材料疲劳极限时即使没有应力集中的因素，久而久之材料也会产生疲劳断裂。故推力瓦座的损伤也并非是材料与制造工艺原因导致。
图4 推力瓦座
图5 推力瓦调整垫
推力瓦调整垫装配在推力瓦与推力瓦座之间，且推力瓦座外边缘与推力瓦安装孔配合非常紧密，基本没有间隙，我们在拆卸的时候就是用螺钉通过顶丝孔强顶出来的。
在减速机使用过程中，整个推力瓦浸泡在油中，推力瓦与推力瓦座之间又形成了非常狭小的透气间隙，当油在与固体表面接触处的压力低于它的蒸汽压力时，便在固体表面附近形成大量气泡，这就为气蚀现象的产生创造了天然条件。
3 落磨辊前后测量数据差异原因分析
落磨辊前后测量数据差异是怎么产生的？通过前面的分析我们已经明确了推力瓦、推力瓦调整垫及推力瓦座之间已经产生了气蚀现象。
图6 典型气蚀现象图
图7 推力瓦座无损探伤
落磨辊前施加给推力瓦的压力是由行星架与输出法兰组件重力（G1）加上磨盘重力（G2）所致，由于推力瓦、推力瓦调整垫及推力瓦座之间的气蚀现象，气泡在G1+ G2作用下还没有达到让气泡溃灭的临界条件，气泡在G1+G2作用下压迫包裹它的润滑油，润滑油由于推力瓦与推力瓦座之间形成的狭小的紧密缝隙又无法及时排出，同时又因为润滑油的粘压特性，气泡施加给润滑油的压力越大，润滑油粘度会变得越高，始终不会破裂，故在气泡作用下拉长推力瓦安装座螺栓使其产生弹性变形而将输出法兰抬了起来。由于12块瓦各自条件不一，气蚀程度也不尽相同（维修过程中，观察拆开后的推力瓦、推力瓦调整垫及推力瓦座，全都有气蚀现象，但气蚀程度不尽相同），故输出法兰在各点被举升的高度也有差异，从而导致了推力瓦与输出法兰之间间隙的产生。
在落磨辊后，由于磨辊重力（G3?远大于G1+G2，气泡在G1+ G2+G3合力作用下终于达到让气泡溃灭的临界条件，于是气泡溃灭，输出法兰就落在了推力瓦支撑面上。这时候再去检测输出法兰与推力瓦面之间是否有间隙，测量结果就是真实值。
气泡产生与溃灭这一气蚀现象，?是高强度推力瓦安装螺栓松动甚至断裂的根本原因。
4 结束语
综上所述，某进口立磨减速机推力瓦、推力瓦调整垫、推力瓦座三者间高强度连接螺栓松动及断裂现象不是材料、制造工艺和安装质量等因素导致的，而是结构设计存在不足造成的气蚀现象。气蚀现象的产生完全属于Z源头结构设计存在问题，即推力瓦座外边缘与推力瓦安装孔配合太紧密，基本没有间隙。维修时改变推力瓦座结构，增大推力瓦座外边缘与推力瓦安装孔配合间隙，消除气蚀现象产生的先决条件，维修后运行效果良好，运行半年后未见异常。
参考文献
[1] Hu L , Han-You R , Jian-Feng D , et al. Design and application of vertical mill reducer[J]. Heavy Machinery, 2011.
[2] 孙