电动阀门IB型齿轮箱故障分析及对策

电动阀门IB型齿轮箱故障分析及对策介绍了某化工装置电动阀门的IB型齿轮箱中锥齿轮、平面轴承及其轴套等主要零部件损坏情况，从工况、选型和构造形式等方面开展原因分析，并从齿轮箱的构造形式、齿轮啮合位置及检查维护制度等方面提出了改良的方法，提高了电动阀的使用寿命。1、概述

随着工业自动化控制技术的日益发展，电力、冶金、石油化工及环保等众多行业使用电动装置来实现阀门的计算机程控、遥控及现场控制已经成为一种趋势。由于齿轮箱具有改变传动方向、增大转动力矩和减速等特点，一般要求较大启闭力矩的阀门电动装置都会选择安装齿轮箱，通过齿轮箱将电动装置电机输入的高速低扭矩动力转换成低速高扭矩的启闭力矩输出，以到达高性价比组合。因此，真空技术网(http:///)认为齿轮箱的构造和性能是电动装置及阀门长期正常运行的关键。2、构造原理

IB型齿轮箱是一种多回转电动阀门齿轮箱，由传动轴、锥齿轮、伞形齿轮、铜螺母、平面轴承、O形圈、托盘及轴承座等组成(图1)。电动装置通过传动轴带动锥齿轮转动，伞形齿轮通过与锥齿轮的啮合实现旋转运动，铜螺母通过与伞形齿轮的花键连接实现转动，最后阀杆通过与铜螺母的梯形螺纹配合实现直线升降运动，从而控制了阀门的开启或关闭。

1.传动轴2.锥齿轮3.伞形齿轮4.平面轴承5.铜螺母6.阀杆安装处7.O形圈8.托盘

图1直齿圆锥齿轮箱3、工况分析

按照相关数据规定，电动阀门IB型齿轮箱磨损件的设计寿命周期为2万圈。以电动阀门(14in.-300LB)为例，每4天开关一次，开关单行程为22.5圈，每4天为45圈，一年为4107圈，按此计算至少运行4.87年。根据装置的实际情况，发现齿轮箱没有到达使用寿命的要求，使用1年后该批电动阀门连续出现多次齿轮箱损坏的情况，损坏部件更换后，2个月内又出现同样的问题。常见的故障有锥齿轮大端的磨损，铜螺母磨损，平面轴承及止推垫圈损坏及阀杆梯形螺纹损伤等现象。

(1)锥齿轮大端的磨损。锥齿轮大端的磨损约占整个齿长的1/5，啮合部位磨损严重(图2)。

图2锥齿轮大端磨损

(2)铜螺母磨损。铜螺母轴承座外圆及配合断面均严重磨损(图3)。

图3铜螺母磨损

(3)平面轴承及止推垫圈损坏。止推垫圈摩擦面出现外低内高且变形量较大，单侧面呈弧形。滚道磨损量外侧大于内侧。断裂推力圈颜色发蓝。保持架因旋转受阻，被挤而变形破裂(图4)。

图4平面轴承及止推垫圈损坏

(4)阀杆梯形螺纹损伤。阀杆螺纹与铜螺母配合的梯形螺纹传动面严重磨损(图5)。

图5阀杆梯形螺纹损伤4、故障分析4.1、电动传动机构选型

选取14in.(DN350)平行双闸板阀，验证阀门轴向力对平面轴承的磨损及其所造成的过早疲劳和断裂，核算阀门开启瞬时的总轴向力和阀门开启扭矩(表1，表2)，确定传动机构轴向力选择的合理性，以及推力轴承满足设计要求的情况。

表1技术参数

表2计算结果

分析计算结果及齿轮箱参数(最大可承受轴向力为177kN，额定扭矩为726N·m)可以得出，齿轮箱的损坏不是由于阀门的操作推力或扭矩过大引起的，同时在选型过程中通过轴向力选择的电动传动机构基本符合电动装置的要求。4.2、轴承及机座

齿轮箱轴承采用AXK型滚针与保持架推力组件+AS系列两件相同的止推垫圈。轴承外径为70mm(14in.(DN350)阀门)，轴承能承受的最大静载荷为254kN，而阀门在最大压差下的开启轴向力为56kN，由此可见，若各滚针均匀受力且重心应在滚针的长度中部的话，其负载能力是足够的。

(1)轴承与机座配置

轴承选用AS系列1mm厚弹簧钢制成的止推垫圈是为了缩小轴承轴向尺寸、解决机座硬度不够、不耐磨等问题。按照相关数据规定，AS系列止推垫圈可以用作滚道，如果邻近的设备部件没有经过硬化，但有足够的刚性并且运行精度需求适中的情况下，AS系列垫圈可以用于提供经济型轴承的配置。但在选择使用时未考虑到由于机座面硬度低，当滚针在止推垫圈上滚过时，出现轴承止推垫圈与机座弹塑性变形，相当于在橡胶上放上一层较薄的硬质金属件，易造成轴承损坏，并没有起到设计规定的作用。

(2)轴承运转特点

滚针推力轴承运转时，是一个圆柱体在圆环面上的运动，内、外圆周的长是不相等的，若要使滚柱必须作圆周运动，滚针与止推垫圈之间必然存在滑动现象。滚针要到达绕环形轨迹运行，只能依靠保持架来引导。这时滚针的中心线与保持架中心线必定会存在着角度偏差，而且滚针对保持架存在着向外的径向分力。当滚针受力不均匀时，滚针对保持架向外的径向力不对称，造成保持架趋向偏移，内圈与铜套发生异常的强摩擦，保持架运行受阻及附加力最终导致损坏。

(3)止推垫圈断口

对损坏的垫圈检查发现内部有少量夹渣，断口为挤压碎裂，硬度为55HRC。分析得出，断裂原因主要是推力圈局部受压后，弯曲应力集中引起的断裂。轴承工作过程中，垫圈的部分断裂现象与支承推力圈的基面硬度、两者之间接触面积、受力均匀度有关。轴承止推垫圈的自身刚性较差，轴承座、铜套轴承机座材料较软，导致轴承的止推垫圈、滚针及保持架局部受力超出了设计载荷，润滑被破坏而产生高温、变形及损坏，是齿轮箱损坏的主要原因之一。4.3、齿轮磨损

检查发现齿轮的啮合位置均在大圆侧，且小齿轮磨损严重，这是齿轮传动中典型的齿轮不良接触形式。正常的啮合痕迹应该是小齿轮偏向小端接触长度为有效齿长的2/3～3/4。而伞齿轮底面与托盘之间磨损异常，靠近锥齿轮侧最深处有2mm(图6)。由此可见，装配时由于传动轴轴向位置太靠近齿轮箱侧，使得2个齿轮配合间隙非常的小，增加了对伞齿轮往下压的附加力和倾覆力矩。锥齿的小端因伞齿轮对其轴线受向上反作用力而弹性变形，仅大端参与了传动，造成上述的故障现象。进一步加大了对滚针轴承的轴向力而且还影响了各滚针的均匀受力，加速了其损坏。

图6伞齿轮底面托盘磨损4.4、铜套及阀杆磨损

由于伞齿轮倾覆力矩的存在，迫使铜套与各相关零件发生磨损。磨损后的磨屑掉入滚针轴承后在滚针和止推垫圈之间开展辗压，从而导致滚针滚动受阻，使得保持架旋转受阻被挤压而损坏，加快了滚针轴承内部件的损坏。损坏部件的小碎片挤出轴承座O形圈后，参加铜套内螺纹与阀杆的磨损中，随阀杆螺纹上升和下降，加速了铜螺母内螺纹的磨损，同时也导致了阀杆螺纹表面的划伤，从而更加剧了铜螺母的磨损。5、措施与对策

(1)改良轴承形式

优化齿轮箱设计，将滚针轴承更换为止推垫圈较厚的球面滚子推力轴承，可以解决由于机座较软，产生塑性变形的问题。若是临时措施，将平面滚针轴承更换为具有良好润滑作用的平垫片也可。

(2)选择合理开关力矩

电动阀门采用的是力矩和行程限位相结合的方式。在阀门调试过程中，保证阀门密封性的同时，尽可能的将其开关阀门的力矩设定值降低，以减少阀门开关时对齿轮箱的冲击。

(3)调整齿轮啮合位置

调整齿间的啮合位置，同时控制电机轴对锥齿轮轴轴向位移的干扰，减小伞齿轮轴向力及非旋转方向倾覆力矩。

(4)定期检