BPP176S立磨减速机行星轮和轴承损伤的分析解决

某公司生料立磨采用德国莱歇磨，配置主减速机为日本住友制造的BPP176S立式减速机，2009年投入使用，期间只对该减速机进行过简单维护保养，未曾进行拆解检修。公司于2023年2月中旬开始对该减速机进行现场大型维保。整机开箱后检查，发现减速机二级行星轮轴承跑外圈，轴承外圈与行星轮内孔均有磨损的现象。在国内外同类大型立式减速机的使用实践中，一、二级行星轮内孔磨损时有发生，但轴承外圈同时发生磨损的情况则较为少见，并且其磨损程度还甚于行星轮内孔。针对这一异常情况，开展了专业检测和分析，对此现象产生的根源进行了初步分析研究。对磨损的二级行星轮内孔进行了修复，更换新的轴承。

1、减速机规格型号与结构BPP176S立磨减速机由箱体、行星架、齿轮、轴和轴承等组成（见图1），功率3 150kW，输入转速990r/min，输出转速25.93r/min。内部传动系统分为三级，第一级为锥齿轮副传动，第二、三级皆为行星轮系传动结构。图1BPP176S立磨减速机结构

2、行星轮及轴承损伤情况及分析整机开箱检查，该减速机总体情况良好。在二级行星轮内装有两个22248BL1C3球面滚子轴承（NTN），中间由内外隔圈分隔，轴承整体拆卸后现场检查结构完整正常，滚动体光滑无异常，轴承滚道光滑无点蚀；但二级行星轮轴承跑外圈，行星轮内孔和轴承外圈同时磨损（见图2）。图2二级行星轮内孔和轴承外圈的磨损2.1二级行星轮内孔的磨损对二级行星轮内孔磨损的部位反复检测，数据如下：行星轮内孔未磨损部位（对应轴承油槽处）直径为Φ440-0.17-0.18，磨损部位直径为Φ440-0.10-0.11，磨损量约0.07mm。内孔的磨损状态并未像通常的那样配合表面磨成镜面，或者配合面呈现出凹凸不平沟槽特征，而是整个配合面发暗并附有点、块状碳化黑斑，四个行星轮内孔磨损量基本一致。2.2二级行星轮轴承的磨损轴承外圈磨损严重，经过反复检测，外圈直径为Φ440-0.11-0.12，按通常出厂时为Φ440+0-0计算，磨损量达到0.11~0.12mm。经过初步检测，轴承游隙值为0.30mm左右。通过查阅资料，新轴承理论游隙在0.24~0.32mm之间，表明现有轴承游隙值仍在标准范围内。轴承外圈的磨损和行星轮内孔的磨损相同，都是表面发暗并附有点、块状碳化黑斑，四个行星轮轴承外圈磨损量基本一致。2.3磨损分析2.3.1材料方面的分析通常情况，为保护轴承，要求是行星轮内孔硬度小于轴承外圈硬度。针对轴承外圈磨损量大于行星轮内孔磨损量情况，我们对行星轮齿面硬度、行星轮内孔硬度及轴承外圈硬度进行了全面检测，检测仪器为EH-180型里氏硬度计，检测数据大致如下：行星轮齿面800~820HLD，行星轮内孔770~780HLD，轴承外圈810~825HLD。将里氏硬度折算为洛氏硬度，分别为：行星轮齿面60~62HRC，行星轮内孔57~58HRC，轴承外圈61~63HRC，硬度符合要求。根据以上检测结果初步推测：原厂家行星轮内孔是渗碳淬火，然后采用优质合金刀具车削后磨削成型。通过广泛查阅金属材料摩擦与磨损相关技术文献获悉：金属材料的耐磨性可以由材料的硬度来衡量，材料的硬度反映了材料抵抗物料压入表面的能力。硬度高，物料压入材料表面的深度就浅，切削产生的磨削体积就小，即磨损就小，耐磨性就高。同时，金属材料耐磨性还与金属材料的晶体互溶性、强度、摩擦形式、温度等也有关系。通过对影响耐磨性的诸多因素分析来看，虽然轴承外圈表面硬度比行星轮内孔略高，也可能存在行星轮内孔磨损量反而小于轴承外圈表面磨损量的现象。2.3.2轴承外圈与内孔配合方面的分析通过测量数据可以看出，二级行星轮内孔为Φ440-0.17-0.18，NTN轴承理论外径值Φ4400-0.045，但通常制造者加工都比较谨慎，加工时基本都会遵从最大实体原则以避免次、废品产生，轴承外径公差基本都会在0~0.01mm之间。检测拟更换的新轴承数据，轴承外径为Φ440+0-0，因此估算原轴承外圈与行星轮内孔配合过盈量主要集中在0.16~0.18mm之间。行星轮轴承跑外圈的直接原因就是行星轮轴承滚子与滚道之间的滚动摩擦力，超过了行星轮轴承外圈与行星轮内孔之间过盈配合的固持力，或者行星轮轴承外圈与行星轮内孔之间间隙配合的滑动摩擦力。常规设计，轴承外圈配合的原则有两种：一是相对于载荷方向旋转的外圈应选择过盈配合或过渡配合，相对于载荷方向固定的外圈应选择间隙配合；二是载荷的类型和大小，当受冲击载荷或重载荷时，一般选择比正常、轻载荷时更紧密的配合，对于向心轴承载荷的大小用当量动载荷Pr与径向额定动载荷Cr的比值区分。对于本台减速机，按照减速机铭牌参数，通过计算得知，额定工况下二级行星轮载荷Pr=345.2kN。查阅拟更换的NSK轴承手册，轴承22248B径向额定动载荷Cr=1 870kN，通过当量动载荷Pr与轴承额定动载荷Cr的比值进行判断：Pr/Cr=345.2/1 870=0.18。查GB/T275—1993《滚动轴承与轴和外壳的配合》，此行星轮轴承载荷性质为重载荷；考虑到配合面直径较大且对旋转精度要求较高，故设计选择P6是比较理想的公差带。P6公差带具体尺寸数值为Φ440-0.055-0.095，该二级行星轮内孔实际检测尺寸为Φ440-0.17-0.18，已经远超过国家标准推荐的重载荷轴承公差带。采用如此大的过盈配合，目的是尽量降低轴承跑外圈的概率。

3、轴承跑外圈分析3.1行星轮处温度场分析查阅机械设计手册，滚动轴承在具有良好润滑情况下摩擦系数在0.001~0.004之间，具体与轴承品牌、个体质量及安装使用等各种因素皆有细微差异。钢对钢的摩擦系数一般在0.02~0.04之间。有了上面的基础认知，再来分析该二级行星轮轴承跑外圈的原因。实际装配工况下，本案例中二级行星轮内孔与轴承外圈存在较大过盈量，不会出现相对位移，因为过盈配合的固持力会远远大于轴承滚子与滚道之间的滚动摩擦力。现在的实际情况是轴承完好，行星轮内孔与轴承外圈都严重磨损了，那么二者之间肯定是出现过较长时间的间隙配合。因为在温度场恒定后，假设行星轮内孔D2和轴承外圈D1形成过盈配合，那么在受载情况下，行星轮内孔与轴承外圈之间的接触面积就会较大，二者之间就会产生较大的摩擦力F2，摩擦力F2=正压力N2×摩擦系数μ2，这种情况下轴承滚子与滚道之间的滚动摩擦力F1就不足以克服F2带动轴承外圈跑圈。在正常工作情况下，太阳轮和行星轮啮合，行星轮和内齿圈啮合，发热量都会很小，因为高精重载齿轮副在轮齿磨合好以后，在润滑良好的情况下基本都会进入弹性流体润滑状态，在该状态下轮齿与轮齿之间不会直接接触，而是被一层润滑油膜隔开，流体间摩擦系数比金属材料间摩擦系数更低，所以在弹性流体润滑状态下轮齿啮合发热很低。因此，行星轮热膨胀的热量主要来自于轴承滚子与滚道之间的摩擦生热Q1，轴承滚子与滚道摩擦生热温度场分布由轴承外圈至行星轮齿顶是逐减的，也就是说轴承外圈内表面温度略高于轴承外圈外表面，轴承外圈外表面略高于行星轮内孔壁附近温度。由于配合面直径较大，因此只要略微有点温差，轴承外圈直径膨胀量就会大于行星轮内孔直径膨胀量，在两者本就过盈配合的情况下，随着温度持续上升达到热平衡，两者形成了牢固的过盈配合。即使在冷态启动瞬间，假设行星轮内孔与轴承外圈过盈量相对较小，行星轮系由于整体结构因素、功率分流不均因素、载荷突然冲击、各零件受力不平稳、轴承滚子迟滞等导致的轴承外圈与行星轮内孔瞬间产生相对位移即跑圈，在温度升高达到热平衡后，行星轮与轴承之间微间隙消失，跑圈自然就终止了。反过来说，假如在温度场恒定后，行星轮内孔D2与轴承外圈D1直径相差较大（即配合间隙较大，至少>0.1mm以上），那么在受载轻微变形情况下，行星轮与行星轮轴承之间的接触面积就会很小，二者之间产生的摩擦力F2就会很小，这时F1>F2，F1就会带动轴承外圈旋转，出现较大间隙配合的期间越长，二者之间的磨损就会越大。现实情况也证明了上述分析，轴承外圈和行星轮内孔都出现了严重磨损且四组行星轮及其轴承磨损情况基本一致，说明几组行星轮内孔及其轴承外圈配合较长时间存在较大间隙，导致轴承滚子与滚道之间的摩擦力F1大于行星轮内孔与轴承外圈之间的摩擦力F2。只有在F1>F2的情况下，轴承跑外圈状况才能得以持续进行。现在倒推行星轮与轴承之间产生间隙的根本原因：既然冷态下行星轮内孔直径D2小于轴承外圈直径D1；而在热态却出现了D2>D1的情况，那就说明在受热情况下行星轮温度略高于轴承温度，出现了从行星轮到轴承温度逐减分布的温度场。在行星轮区域附近，存在两个逆向分布的温度场。其一，太阳轮与行星轮齿轮副啮合生热Q2；其二，行星轮轴承滚子与滚道之间摩擦生热Q1。前面已经提到过：高精重载齿轮副，磨合好以后一般皆会进入弹性流体润滑状态，该状态下生热Q2极低，会低于轴承滚子与滚道之间的摩擦生热Q1。但实际情况却是，两个温度场进行矢量叠加后，反而形成了行星轮温度略高于轴承温度的综合温度场，这样反过来就证明了太阳轮与行星轮齿轮副之间的润滑没有进入弹性流体润滑状态。产生这种现象的根源可能是齿轮啮合润滑不良所导致。润滑不良的因素较多，主要有润滑油牌号不合适，润滑油量不足，润滑油乳化变质，润滑油性能下降，以及润滑油被杂质污染等。3.2润滑油方面的分析回溯该减速机维护保养的历史记录，2021年10月间减速机稀油站进行了整体换油约4 000L，运行一个月后出现了润滑油泡沫化严重的情况。通过将润滑油取样送广州机械研究所油品检测中心化验显示，该批次润滑油抗泡沫特性不合格，后采取添加适量消泡剂的方式消除，处理过程约20天。分析该减速机润滑油路通道，大小行星轮轴承润滑均采取自上而下溢流式，稀油站输入的润滑油进入推力瓦油槽，油槽溢流出的润滑油首先进入二级行星轮轴承，然后通过润滑通道向下进入一级行星轮轴承，逐级润滑后落入底部流回油箱。因此，若润滑油中含有大量泡沫，将首先涌向二级行星轮，而后泡沫逐渐破灭流向一级行星轮，此期间润滑油泡沫含量高可能就是导致二级行星轮润滑不良的主要原因。

4、问题结论及处理综上所述，本次磨损事故的主要原因是：（1）一个时期内润滑油泡沫含量高，二级行星轮齿面润滑不良，温度上升，造成二级行星轮内孔直径D2大于轴承外圈直径D1，内孔和轴承外表面产生微间隙。（2）减速机运行过程中由于物料等原因带来的异常振动导致功率瞬间上升，载荷冲击可能导致轴承外圈与行星轮内孔产生瞬间相对位移，产生了相对磨损。（3）磨机工作非24h连续，减速机较为频繁的冷启动运转模式可能加剧了磨损的程度。对磨损的二级行星轮内孔，使用激光熔覆堆焊后磨削的方式修复至原始尺寸Φ440-0.17-0.18，更换外圈磨损的轴承，确保减速机恢复到原始状态。

5、结束语此次故障也提示我们，大型立式减速机在日常维护运行管理中，为预防行星轮轴承跑圈故障，需要注意以下几点：（1）一定要把好润滑油准入关，润滑油使用前要做到先化验后使用，化验指标要全面，不仅要包含常规的黏度、水分，对于重要的使用场所还要包含清洁度、抗泡