冉學平1 馬海軍2 劉旭1 楊建平2 岳智慧2 劉維2
（1.成都名辰傳動設備有限公司；2.四川理工技師學院）
摘 要：某進口立磨減速機推力瓦及其調整墊、瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂，不是材料、制造工藝和安裝質量等因素導致的，而是結構設計存在不足造成的氣蝕現象。氣蝕現象的產生完全屬于Z源頭結構設計存在問題，即推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合太緊密，基本沒有間隙。維修時改變推力瓦座結構，增大推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合間隙，消除氣蝕現象產生的先決條件，維修后運行效果良好，運行半年后未見異常。
關鍵詞：減速機；推力瓦；氣蝕
0 引言
立磨作為一種粉磨設備，在礦山、火電、水泥生產中被廣泛應用。國內外立磨減速機皆由箱體、行星架、齒輪、軸及軸承等組成[1]。當前，我國已實現立磨減速機國產化，且設計制造水平已得到國內外工程界的認可。
某進口大型立磨減速機內部傳動系統分為三級傳動，級為錐齒輪副傳動，第二、三級皆為行星周轉輪系傳動結構[2]。該減速機經過幾代改進設計制造，可靠性越來越高，但推力瓦、推力瓦調整墊、推力瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂已成普遍現象[3]。國內某大型集團使用的7臺同類機型就是如此，經過多次優化設計，將螺栓個數增加到6個，螺栓直徑增大到M24，性能等級提高到12.9，該情況仍未得到解決，給立磨減速機的使用帶來了極大隱患，原廠家派出多批服務工程師及專家現場調研，但始終未給出合理解釋。
我公司于2020年4月接到該立磨主減速機維修任務，認真研究，找到了解決該問題的有效辦法，本文對此進行總結。
1 推力瓦瓦面高度檢測
我公司于2020年4月中旬對某公司進口生料立磨主減速機進行了解體維修。立磨減速機中12塊推力瓦呈圓周分布，其分布示意圖見圖1。
圖1 推力瓦分布示意圖
在回裝推力瓦前，觀察12塊推力瓦合金面接觸痕跡，依據瓦面接觸印痕判定減速機在使用時瓦面高度是基本一致的。推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座安裝后結構示意圖如圖2所示。
圖2 推力瓦安裝結構示意圖
12塊推力瓦中，9號推力瓦瓦座有裂紋，由于不清楚原始廠家制造工藝，為了驗證瓦座開裂后是否因為產生裂紋而釋放內應力導致瓦座變形，故在裝配時對所有推力瓦瓦面高度（即瓦面共面度）都進行了初步檢測。檢測方法：用1 500 mm游標卡尺貼實兩塊瓦面，兩人用手壓緊游標卡尺兩端，另一人用0.03 mm的塞尺檢測，都未能塞出間隙；對于9號瓦，我們從8號及10號瓦兩個方向都進行了檢測，亦未測出間隙。這種檢測方法對于高差較大的間隙是很容易檢測出來的，0.03 mm的塞尺塞不出間隙則理論上來說高差應該在0.02 mm以內。
油壓檢測試驗時發現各推力瓦間高壓油壓力差異較大，停機放油后對推力瓦與輸出法蘭的間隙進行了再次檢測，發現2、3、8、9號瓦分別能塞進0.20 mm、0.20 mm、0.25 mm及0.40 mm的塞尺，表明這種狀況下2、3、8、9號瓦面分別低了0.10 mm、0.10 mm、0.125 mm及0.20 mm。然后我們又把磨輥落下，再依次用塞尺檢測，結果所有瓦面與輸出法蘭之間都沒有了間隙，表明這種情況下，所有瓦面高度基本一致。
2 推力瓦座損壞原因分析
2.1 氣蝕現象
氣蝕現象是指流體中的氣泡在壓力、速度達到臨界值時瞬間潰滅，在潰滅瞬間產生極大的沖擊力和高溫，氣泡破裂瞬間所有的能量集中在破裂點上，產生幾千牛頓甚至更高的沖擊力，沖擊力的壓力高達2 000 MPa以上，大大超過了大部分金屬材料的疲勞破壞極限，固體表面在經受這種高沖擊力的多次反復作用下，材料發生疲勞剝落，使表面形成小凹坑，進而發展成海綿塊狀；同時由于氣泡潰滅瞬間產生的高溫使得夾帶在氣泡內的少量氧氣等活潑氣體對金屬表面產生電化學腐蝕，電化學腐蝕會加速氣蝕的破壞作用。
流體中氣泡的形成：當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，將在固體表面附近形成氣泡[4]。氣蝕通常發生在離心泵葉輪（液體流入和流出端速度和壓力產生急劇變化）和閥門（液體流過節流孔前后流道面積的變化會導致速度與壓力的急劇變化），在其它情況下很少發生。
2.2 潤滑油的粘壓特性
潤滑油的粘壓特性是指潤滑油的粘度隨著壓力變化而變化的特性[5]。當壓力變化較小時，潤滑油粘度變化甚微，基本可忽略不計；當壓力變化較大超過20 MPa時，潤滑油的粘度會隨壓力增大而成指數級增大[6]。即：
vp=v0ebp （1）
式中：
v0—壓力為105 Pa時的粘度值；
vp—相對壓力為p時的粘度值；
b—與油液有關的系數；
p—介質壓力。
正因為潤滑油的粘壓特性，所以重載齒輪副傳動，在主、從動齒輪齒面足夠光滑的情況下，潤滑油足以把相互嚙合的一對輪齒隔開自身也不會破裂，即形成一薄層高壓潤滑油膜。因此，齒輪副傳動時只要潤滑不失效，輪齒表面磨成鏡面后磨損就自然終止了。
2.3 推力瓦、推力瓦座及推力瓦調整墊氣蝕現象
如圖3、圖4、圖5所示，分別為推力瓦背面、推力瓦座、推力瓦調整墊，圖6為典型氣蝕現象。通過圖3～圖6腐蝕現象對比，圖3～圖5的腐蝕現象明顯就跟圖6一樣屬于氣蝕現象。通過圖4與圖5腐蝕區形狀對比發現，其腐蝕區形狀完全一致，這就說明圖4與圖5即推力瓦座與推力瓦調整墊的損壞并非由于原料及制造工藝不合格導致的損傷，損傷區域一致說明他們損傷區域之間相互發生了反復沖擊力作用，且該沖擊力的大小超越了其材料的疲勞極限。
圖3 推力瓦背面圖
圖4即推力瓦座產生了裂紋，且裂紋深度達到了20 mm左右，參見圖7裂紋無損探傷圖片。裂紋基本處在損傷Z嚴重幾個區域的對稱中心線上，因為在兩邊施加壓力時在對稱中心線上產生的彎矩大，在持續反復作用下材料容易從應力集中處產生疲勞裂紋。應力集中因素很多，材料缺陷、加工粗糙度、退刀槽、倒角、圓弧、臺階過度處等等，當然在壓力超過材料疲勞極限時即使沒有應力集中的因素，久而久之材料也會產生疲勞斷裂。故推力瓦座的損傷也并非是材料與制造工藝原因導致。
圖4 推力瓦座
圖5 推力瓦調整墊
推力瓦調整墊裝配在推力瓦與推力瓦座之間，且推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合非常緊密，基本沒有間隙，我們在拆卸的時候就是用螺釘通過頂絲孔強頂出來的。
在減速機使用過程中，整個推力瓦浸泡在油中，推力瓦與推力瓦座之間又形成了非常狹小的透氣間隙，當油在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，便在固體表面附近形成大量氣泡，這就為氣蝕現象的產生創造了天然條件。
3 落磨輥前后測量數據差異原因分析
落磨輥前后測量數據差異是怎么產生的？通過前面的分析我們已經明確了推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座之間已經產生了氣蝕現象。
圖6 典型氣蝕現象圖
圖7 推力瓦座無損探傷
落磨輥前施加給推力瓦的壓力是由行星架與輸出法蘭組件重力（G1）加上磨盤重力（G2）所致，由于推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座之間的氣蝕現象，氣泡在G1+ G2作用下還沒有達到讓氣泡潰滅的臨界條件，氣泡在G1+G2作用下壓迫包裹它的潤滑油，潤滑油由于推力瓦與推力瓦座之間形成的狹小的緊密縫隙又無法及時排出，同時又因為潤滑油的粘壓特性，氣泡施加給潤滑油的壓力越大，潤滑油粘度會變得越高，始終不會破裂，故在氣泡作用下拉長推力瓦安裝座螺栓使其產生彈性變形而將輸出法蘭抬了起來。由于12塊瓦各自條件不一，氣蝕程度也不盡相同（維修過程中，觀察拆開后的推力瓦、推力瓦調整墊及推力瓦座，全都有氣蝕現象，但氣蝕程度不盡相同），故輸出法蘭在各點被舉升的高度也有差異，從而導致了推力瓦與輸出法蘭之間間隙的產生。
在落磨輥后，由于磨輥重力（G3?遠大于G1+G2，氣泡在G1+ G2+G3合力作用下終于達到讓氣泡潰滅的臨界條件，于是氣泡潰滅，輸出法蘭就落在了推力瓦支撐面上。這時候再去檢測輸出法蘭與推力瓦面之間是否有間隙，測量結果就是真實值。
氣泡產生與潰滅這一氣蝕現象，?是高強度推力瓦安裝螺栓松動甚至斷裂的根本原因。
4 結束語
綜上所述，某進口立磨減速機推力瓦、推力瓦調整墊、推力瓦座三者間高強度連接螺栓松動及斷裂現象不是材料、制造工藝和安裝質量等因素導致的，而是結構設計存在不足造成的氣蝕現象。氣蝕現象的產生完全屬于Z源頭結構設計存在問題，即推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合太緊密，基本沒有間隙。維修時改變推力瓦座結構，增大推力瓦座外邊緣與推力瓦安裝孔配合間隙，消除氣蝕現象產生的先決條件，維修后運行效果良好，運行半年后未見異常。
參考文獻
[1] Hu L , Han-You R , Jian-Feng D , et al. Design and application of vertical mill reducer[J]. Heavy Machinery, 2011.
[2] 孫惢. 風力發電機傳動系統可靠性分析方法研究[D].東北大學,2011.
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[4] 殷財輝,李錫恩.翅片式散熱器氣蝕研究[J].設備管理與維修,2018(02):72-73.
[5] 祁海洋. 高壓旋轉粘度計的研制及合成油壓粘特性研究[D].哈爾濱工業大學,2011.
[6] 張植忠. 核主泵推力滑動軸承流體動力潤滑分析與實驗研究[D].湘潭大學,2015.
來源：《新世紀水泥導報》2021年第5期
