挖掘机回转齿圈中内齿圈与外齿圈的优缺点
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摘要：目前，国内机械式单斗挖掘机回转多是圆柱齿轮，其中末级大齿圈是低速重载直齿，齿数多、模数大。大齿圈的材质一般为硅锰钢、锰钢，热处理齿面硬度为HBC200,属于软齿面。实践证明，这样的大齿圈容易产生塑性变形，寿命短，使用寿命在8000~ 12000小时之间，只有美国、日本同规格产品寿命的1/3。显然，如何提高大齿圈的寿命乃是当前急待解决的一项重要课题。
关键词：挖掘机回转机构大小齿圈
中图分类号：S222文献标识码： A
前言：
回转机构是挖掘机重要的组成部分，其回转工作比重占到整个挖掘机工作循环的65%~75%，因此，回转机构的动态性能对挖掘机整机性能影响甚大，是挖掘机整机设计水平的重要标志，也是回转机构设计的关键技术之一。然而，挖掘机工作环境十分恶劣，受载复杂，回转机构的动态特性异常复杂，回转机构的振动机理亦未完全明了，尤其是回转机构与挖掘机工作装置、回转机构内部相互祸合关系和振动规律没有探明，严重的降低了挖掘机正常运行的可靠性，阻碍了挖掘机深层次发展。大齿圈与小齿轮啮台过程中，由于承受重载、冲击及交变循环应力，使用初期出现啃刮现象，啃刮部位多在大齿圈齿根和小齿轮齿顶，随着在齿表面及次表面出现明显的金属流动，在齿顶和齿端面出现棱边，齿面压陷，产生永久变形。一般当齿厚减去1/3时即告失效。
一、回转系统的工作原理
挖掘机回转系统由回转液压系统和回转结构装置组成，中型挖掘机回转液压系统一般是阀控回转马达系统。回转动作时，挖掘机的司机室、工作装置和油箱等随回转平台一起转动。图1为回转系统的工作原理示意图。
回转启动时，回转换向阀开启，液压系统输出高压油驱动回转马达转动，回转马达通过马达内部的行星齿轮减速机构将马达的转速和扭矩传递给回转支撑的外圈，克服摩擦力矩、风阻等其他阻力使回转平台加速，驱使回转平台转动到理想工作位置;回转制动时，关闭回转换向阀，液压系统输出制动力矩使回转马达减速，继而控制回转平台减速、制动。
挖掘机回转装置包括两个部分:起支承作用的回转支承装置和驱动转台转动的回转传动装置。回转支承装置又称转盘轴承或特大型轴承，是连接两相对回转部件的重要传动元件，一方面它可以使两部件实现相对回转运动，另一方面又可以承受来白两部件的径向、轴向载荷以及倾覆力矩.挖掘机回转支承位于上平台和底架之问，如图1所示，回转支承主要由内座圈6、外座圈4、滚动体(滚珠、滚柱或锥形滚孔等组成，内齿圈7与回转支承内座圈6做成一体，并通过齿轮传动接受来白回转减速齿轮8的回转驱动力，回转减速齿轮8与输出花键轴9通过渐开线花键连接。回转支承内座圈6通过螺钉与下部行走装置梁架5刚性相连，回转支承外座圈4通过螺钊一与上部回转平台底板3刚性相连.
挖掘机工作装置作用在转台上的垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩传输路径为:回转支承的外座圈*滚动体*内座圈*下车架。当回转减速齿轮8受到回转驱动力的作用与内齿圈啮合传动时，回转减速齿轮绕白身的轴线白转，同时受到来白内齿圈的反作用力，反作用力通过回转减速器安装法兰传递到回转平台底板上，使得上部回转平台与行走装置梁架发生相对回转，实现挖掘机的回转运动。
二、回转齿轮磨损原因的分析
1、设计与制造形成的基节误差
齿轮副啮合必须节距相等和相互间在节点处接触。回转大齿圈加工受机床限制，不是滚切而是用指状铣刀加工。由于分度不均匀致使加工精度降低，造成基节误差过大，据实测累积误差达0.7毫米。这样大的齿圈工作时必然出现啃刮现象，影响啮合时齿间载荷的分配和加大动载荷，结果轮齿接触强度降低，极易发生点蚀和产生塑性变形。原设计大齿圈材质为ZG30Mn,HB≥134,强度极限为55公斤/毫米。按制造精度要求，滚动压力可达61公斤/毫米’。可见原设计时的精度要求比较低，因此，必须首先将设计精度提高，同时要求保证制造精度，才能使齿轮寿命提高。
2、滑动系数的影响
渐开线齿轮传动在相啮合的两轮齿之间存在滑动，这种滑动的最大点在B2啮合处(如图3)，滑动系数随啮合点的移动而变化。当回转机构启动时，小齿轮处于主动状态，小齿轮的齿根相对于大齿圈的齿顶，滑动方向见图4，这种滑动将会造成大小齿轮磨损。图4中虚线所示的齿形就是磨损后的齿形。在B1点对小齿轮O1来说滑动是向齿顶方向。又因接触挤压力作用，在齿顶都分表面上，由于沿表面压力将金属推向齿顶，小齿轮由于齿面淬硬，当此层磨掉之后，才会出现。同时在B2点处，由于大齿轮齿顶的防动方向沿齿根方向，所以只有出现磨损后才把金属推向齿顶现象。
图3
图 4
与此相反，当小齿轮处在制动状态时，其滑动方向见图5,磨损如虚线表示的齿形。因为在大齿轮齿顶部分的滑动方向是向齿顶的，大齿圈齿面又软，所以大齿圈的齿顶圆上就出现了被推出的金属堆。也就是说大齿圈齿顶的金属堆是在滑动与挤压力的同时作用下形成的，因而改变了基节尺寸。而小齿轮齿根处于B2点啮合时，此处对小齿轮来说，不论是起动或制动状态，小齿轮根部都是磨损最快的地方，而齿顶磨损缓慢，因此，小齿轮基节有增大的趋势。实际在制动时，小齿轮齿顶像刀具一样啃刮大齿轮的下部。在制动啮合中，只有小齿轮齿形磨损与大齿圈齿面平行，即小齿轮齿面像刀具那样不存在后角时，才停止啃刮，然后进入全磨损，因此，使齿轮寿命降低。
图 5
三、回转齿轮改进措施
1、提高齿面硬度
通过对齿轮的接触强度校核，得知大齿轮齿面接触强度不足，其安全系数4.9*5.76=0.85< 1，所以必须提高齿面接触强度。首先要从提高齿面硬度解决，因为齿面承载能力与齿面硬度的平方成正比。将大齿圈由原来退火硬度HB≥134改为调质硬度HB270~280。并为解决材质的低温冷脆性将原材质ZG30Mn改为ZG30CrNiMoV，机械性能比原设计提高4倍。小齿轮调质硬度HB≥300，最后高频淬火齿。面硬度RC = 40~45，大齿轮调质硬度HB=270~2800
2、提高齿轮设计精度及光洁度
1)制造精度提高到7级，基节误差小于0,04毫米，其滚动压力可控制在5.5公斤/毫米2。
2)从实验公式可知许用应力与光洁度H有关，H值越大(光洁度越低)许用应力相对减少。因此，将齿面及齿根圆弧处的光洁度5改为6，按实验公式即减少h值，即可增加齿面许用应力。
3、增大压力角
1)在中心距、齿数、模数不变的情况下，将啮合角由20°改为22.5°。因齿廓曲率半径增大，齿廓变得比较平直，增强了齿面接触强度。因许用强度又与啮合角度成正比，由于压力角增加可提高强度1.33倍。
2)由于压力角增加，使齿顶滑动速度减少，可减少因滑动摩擦损伤齿面。
3)改变啮合角22.5°，齿高系数为0.8,才能做到现有状态小齿轮齿数11,啮合齿轮副方可防止啮合干涉。但当压力角增加后，增加了径向力，则必须对旋转立轴及滚动轴承进行强度校验。
4、齿形修整和齿顶倒角
为了减少由齿的变形和误差引起的啮合初始冲击，改善齿面条件，防止胶合，将齿轮齿面修整，使齿轮进入或退出啮合区防止干涉刮削.
5、选择拈度大挤压强度高的油开式齿轮副传动，在采场部位容易进入砂粒，造成磨粒磨损，在挤压力作用下，油又易流失。在这边界条件下，必须使用粘度大，挤压强度高的剂。我们选用开式齿轮挤压剂效果较好.
6、装配改进
回转装置安装时，通常回转减速齿轮8的上端面比内齿圈6的上端面稍高一些(见图1)避免回转减速齿轮上端部与内齿圈上端部直接接触。
1)鼓形齿面设计
为了防止齿面端部参与传递动力，通常将齿面设置为鼓形面，但回转减速器在长期工作过程中，回转减速齿轮及内齿圈的齿面会不断磨损变平，仍然不能彻底避免端部干涉。
2)齿轮齿向递减设计
为了避免高负载啮合时，内外齿轮出现上部接触、下部分开的现象，可以将回转减速齿轮齿厚沿齿向逐步递减，顶部厚度小，底部厚度大，单边厚度差为0.2mm。这样，回转受力小时，回转减速齿轮下部(长度约10 mm与内齿圈啮合;随着回转负载增大，输出轴向内侧倾斜时，齿向厚度递减设计正好保证整齿啮合，大大增加了接触面积并降低了接触应力，使得回转装置的耐久性能大幅提高。
3)齿宽方向阶梯设计
齿宽方向阶梯设计方案也可有效提高回转齿轮寿命，但此方案受日本相关专利保护，以下对其原理进行介绍，仅供参考。
如图所示，齿向阶梯是指回转减速齿轮通过减小上端部齿厚而形成的类似阶梯的结构，并且阶梯部去除材料的深度D大于该部位的正常容许磨损量。齿轮容许磨损量是指齿轮未失效时所允许的最大磨损量。这样，在回转装置长期运转过程中，即使回转减速齿轮和内齿圈上端部接触部位不断磨损，也因磨损量小于容许磨损量而可避免发生啮合齿轮上端部硬干涉造成的齿根裂纹或折损，确保齿轮的强度和使用寿命。
图采用齿向阶梯设计的回转减速齿轮齿形剖面图
与内齿圈相比，回转减速齿轮的齿数较少，因此在回转减速齿轮上加工阶梯部，能大幅度地降低加工成本和周期。
结束语：
回转减速齿轮是挖掘机实现全周回转运动的关键传动件，其性能的好坏将直接影响到整机性能的发挥。合理确定减速齿轮结构和安装方案对改善司机劳动条件和回转性能、减少工作装置的冲击等都具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]黄斌.挖掘机工作装置优化及作业性能研究:[硕士学位论文].长沙: 中南大学，2008
[2]蓝英.挖掘机回转机构真实运动规律研究及计算机辅助分析:[硕士学位论文].重庆:重庆大学，2001
[3]李建启，挖掘机回转节能装置的运动特性.河北建筑工程学院学报，1994，(2): 4一10
作者简介：董国红，1987-12，男，汉，内蒙古呼和浩特市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，机械技术员，本科，机电一体化工程专业。