1 概述

　　宝钢高速线材分厂粗、中轧区的立式轧机包括2V、4V、6V、8V、10V、12V 和 14V 共 7 部， 采用的是下传动方式， 即主传动装置电机与减速机等安装在轧制水平线之下。高线投产以来， 6V、12V 和14V 主传动减速机锥齿轮接连发生断齿事故， 其中， 6V 轧机主传动减速机第一级锥齿轮接连发生三次断齿故障。从锥齿轮断裂的断口及材料的宏观、微观和硬度分析看其失效的性质如下： （ 1） 螺旋锥齿轮的断裂属于疲劳断裂； （ 2） 断裂齿材料存在明显的疏松空隙， 齿面渗碳层硬度偏低， 降低了材料的疲劳性能， 锥齿轮工作时齿根部受应力最大， 齿根部容易发生疲劳断裂， 从磨损的情况看是属于早期疲劳断裂。本文从6V螺旋锥齿轮的强陶慧明　高工 1960年生1983 年毕业于鞍山钢铁学院　现从事冶金机械技术专业　电话 26649615度、精度、热处理、材料等方面对齿轮失效的根本原因进行分析研究。

　　2 强度分析与失效原因

　　2. 1 6V 轧机主传动锥齿轮强度计算

　　6V 锥齿轮主要参数， 采用 Gleason 工厂推荐方法及数据进行计算。

　　轮齿失效概率低于 1/ 100.

　　从计算结果看： 在轧机传动功率400 kW 不变的情况下， 当输入转速低于 1 200 r/ min 时， 小轮弯曲强度的失效概率高于 1/ 3； 转速大于等于1 800 r/ min 小于 2 000 r/min 时， 小轮的弯曲强度的失效概率低于 1/ 3； 该齿轮只能在转速大于等于2 000 r/ min 时才能工作。显然电机在额定功率下工作， 减速器中的螺旋伞齿轮强度是不够的。

　　2. 2 螺旋伞齿轮模数推算

　　根据我国设计规范， 按！机械设计手册？第三卷表 23. 4- 22 锥齿轮设计公式， 螺旋伞齿轮模数推算。根据以上参数对锥齿轮的强度进行初步计算， 得出的结果是模数应大于 9. 8， 但目前 V6 螺旋锥齿轮的模数为 8. 11

　　2. 3 轧机实际负荷分析

　　摩根公司提供的部分轧机设计负荷及安全系数， 如果按照电机输出功率 P = 400 kW、转速 n= 1 200 r/ min 计算， 螺旋锥齿轮的扭矩计算值为 3 183. 3 N？m， 显然超过摩根公司的设计最大扭矩。目前高线轧机实际负荷在摩根公司设计范围之内。1999 年 10 月 12 日测得负荷情况， 当时生产产品规格为 13 mm，钢号为GK4285（ 82B） ， 轧制速度为设计值的 85%.

　　2 4 强度分析小结

　　根据轧机的实际负荷， 我们可以看到， 摩根公司设计的减速器中的螺旋伞齿轮的强度是满足要求的， 而驱动电机的功率选得偏大， 形成了 大马拉小车？的状况， 如果遇到轧制力意外增大， 就有可能造成齿轮的失效。从计算结果看， 这对螺旋伞齿轮的弯曲疲劳强度相对偏低， 如何提高齿轮的弯曲疲劳强度是我们的目标。

　　3 齿轮加工工艺与材料热处理分析

　　3. 1 轮齿加工情况分析

　　根据摩根公司提供的图纸， 原设计锥齿轮的齿形采用等高齿， 即为克林格贝尔齿形。而我们现用的锥齿轮采用格利森齿形， 这是一种等间隙收缩齿。两者相比， 等高齿加工容易， 但小端易产生根切并降低强度， 格利森齿需专门机床加工。

　　从强度方面考虑， 当小齿轮齿数少时， 格利森齿形要优于等高齿。从失效锥齿轮的加工情况看， 齿根过渡圆弧较小， 粗糙度较低， 为了提高齿轮的弯曲强度齿根应采用大圆弧过渡， 并对齿轮的齿根进行喷丸处理。

　　3. 2 材质分析

　　摩根公司设计的材质是美国的 G43200， 相当于我国的 20CrNi2Mo， 但从国内目前齿轮材料研究情况看， 建议采用 17CrNiMo6 或 16NCD13， 它们热处理的淬透性和H lim、F lim、FE都比较好； 另外齿坯的锻造比不得小于 3.

　　3. 3 热处理分析

　　美国对 G43200 这种材料有四种热处理方法：即 B1、B2、B4、C1.

　　B1 （（（ 从炉中取出直接在油中淬火， 然后300 （ 149 ） ） 回火。

　　B2 （（（ 单次淬火并回火， 以得到好的渗碳层和心部性能； 坑冷后再次加热到 1 500 （ 816 ） ） ，油淬， 300 （ 149 ） ） 回火。

　　B4 （（（ 两次淬火并回火， 以期最显著地细化渗碳层和心部的晶粒。坑冷后加热到 1 500（816 ） ） ， 油淬； 再加热到 1 425 （ 774 ） ） ， 油淬；于 300 （ 149 ） ） 回火。

　　C1 （（（ 直接从渗碳炉中取出油淬， 450（ 232 ） ） 回火。

　　不同材料、不同热处理工艺所得到的H lim、F lim和FE均不同。ISO6336. 5： 1996 规定： 各种材料热处理的质量等级有 4 种， 它们定义为：ML 表示对齿轮加工过程中材料质量及热处理工艺的一般要求；MQ 表示对有经验的制造者在一般成本下可以达到要求的等级；ME 表示必须具有高可靠度制造过程控制才能达到的等级；MX 表示对淬透性及金相组织有特殊考虑的调质合金钢的质量要求。

　　对渗碳淬火钢的H lim， 不同工艺要求达到的数值相差很大，ML 的H lim = 1 300 N/ mm 2，MQ 的H lim = 1 500 N/ mm 2， 而 ME 的H lim = 1 650 N/ mm 2。宝钢高线采用的热处理工艺是 C1 方法， 直接从渗碳炉取出油淬， 450 （ 232 ） ） 回火。这种热处理方法可得到高的表面硬度， 但心部韧性不太好。只能达到ML 工艺标准。如果采用 B4 方法，两次淬火并回火， 可以最显著地细化渗碳层和心部性能， 达到MQ 工艺标准， 大大提高齿轮的承载能力。

　　4 改进措施

　　根据研究结果， 针对宝钢高线粗中轧机主传动锥齿轮弯曲强度设计偏低的问题， 我们对以后的备件制造和运行提出如下改善措施：

　　（ 1 ）齿轮材料可以采用 17CrNiMo6 或16NCD13， 热处理工艺质量按 MQ 控制。

　　（ 2） 齿轮加工

　　为了提高小齿轮的承载能力， 小齿轮可以采用正变位， 齿形可采用格利森齿形或格林贝尔齿形， 齿轮精度 6 级以上。

　　（ 3） 建议改善轧制工艺， 降低减速机负荷， 将设备故障报警参数设置为摩根提供的轧制力矩值。

　　根据上述改进措施， 和南京高速齿轮箱厂签定技术协议， 研制了一对圆锥齿轮， 采用格林贝尔齿形， 材料为17CrNiMo6， 2000年年修被安装在6V轧机的减速器上， 至今已经运行一年多了， 效果良好， 达到了预定目标。