F-1600泥浆泵传动轴断齿原因及解决对策分析摘要：F-1600泥浆泵传动轴断齿是一种严重的设备故障，制约石油钻井生产。订购传动轴总成费用较高，周期长，非设备修理首选。文章通过齿轮失效原理分析及受力分析计算，提出采用镶齿轮套的方法快速恢复设备使用性能，是设备修理新的思路之一。关键词：泥浆泵；传动轴；断齿；设备故障；石油生产文献标识码：A中图分类号:TE926文章编号:1009-2374(2016)34-0091-02DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.0451概述F-1600泥浆泵的传动轴结构为整体锻造加工，传动齿轮直接在传动轴表面加工而成。近年来，我公司所使用的该型泥浆泵在使用过程中，多次出现传动轴齿轮断齿，断裂部位均在齿根。断齿内侧在节线附近有点状剥落带，外观呈双向贝纹线，属多源低周、延性疲劳断口。断齿发生时同时损伤与之配合使用的曲轴人字齿圈。2齿轮失效原理分析齿轮传动的失效主要表现为以下方面：2.1折断折断通常表现为：（1）疲劳折断：工作时轮齿反复受载，使得齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展以至轮齿折断的失效。疲劳裂纹多起源于齿根受拉的一侧;（2）过载折断：齿轮受到突然过载或经严重磨损后齿厚减薄时，轮齿会发生过载折断。2.2齿面失效齿面失效最主要的形式是点蚀：齿轮在啮合过程中，相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面会产生细微的疲劳裂纹;封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用下使得裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，从而产生点蚀。节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动。2.3轮齿应力分析轮齿受力如图1所示。在啮合传动过程中，齿轮表面承受不同形式的应力作用，齿面和近表面金属在拉伸、压缩和剪切应力作用下，经多次重复应力作用，产生微小裂纹形成疲劳源，随着应力循环次数增加，裂纹将扩展以致相互连接起来形成小块金属脱落，齿面出现点蚀剥落，齿轮齿面产生疲劳损坏。在重复应力的作用下，经过高周次接触应力循环作用，微裂纹扩展及聚合，导致齿轮断裂。3F-1600泥浆泵传动轴受力分析及计算3.1齿轮技术参数表Zl=34；Z2=143；传动比i=4.206o其他参数见使用说明书。3.2传动轴外形及几何参数传动轴外形及几何参数如图2所示：3.3传动轴受力分析根据材料力学原理，传动轴的简支梁图、扭矩图和弯矩图分别如图3、图4、图5所示：3.4传动轴齿轮受力分析传动轴齿轮受力分析如图6所示：3.5受力计算3.5.1根据F-1600泥浆泵使用说明书，以下数据在设计阶段已经确定：（1）泥浆泵齿轮传动的精度等级为8级；小齿轮的材料为40Cr（调质），大齿轮的材料为45钢（调质）；（2）齿轮螺旋角0=30°,额定功率nl=130冲/分时，P=1275kWo3.5.2计算小齿轮所传递的扭矩：3.5.3按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度sHlim2=580MPao3.5.4应力循环次数按无限次设计。查得接触寿命系数KHNl=0.88,KHN2=0.87o3.5.5计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%,安全系数贝h3.5.6查得小齿轮的疲劳强度极限MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa。弯曲疲劳寿命系数KFNl=0.80,KFN2=0.81o3.5.7弯曲强度的校核式如下：3.5.8查得齿形系数YFal=2.30,YFa2=2.16；齿形校正系数YSal=1.71,Ysa2=1.82,计算大小齿轮的并加以比较。数据显示，小齿轮的齿形系数与齿形校正系数乘积与齿轮弯曲强度校核数据的比值小于大齿轮的比值,说明小齿轮在泥浆泵的动力端受力较大，在载荷多次重复冲击下容易受到损伤。4解决对策根据齿轮失效的现象及以上计算分析，在高速、重载工况下，传动轴扭转振动，冲击载荷、动载荷系数都变大，进而使齿面接触应力增大，引起疲劳损伤。提出以下解决对策：当F-1600泥浆泵传动轴的齿轮受到损伤后，可采取对受损轴探伤鉴定，将原轴齿轮剥离后安装一对齿轮套形成人字齿的方法进行修复。齿轮套相对于整轴加工简单，具有能够保证加工精度、周期较短、更换快捷的修理优势，所以采用该方案符合修理标准，更加满足生产需要。4.1小轮轴车削加工后以及配套加工的齿轮套的外形尺寸小轮轴车削加工后以及配套加工的齿轮套的外形尺寸如图7：4.2平...