摘   要：行星架支撐軸承損壞、輸入軸支撐軸承損壞和太陽輪支撐定位失效約占直進式拉絲機行星減速機非正常損壞的80%。分析多品牌行星減速機結構，把多種機型一級行星架實際軸、徑向載荷比例與配置軸承軸、徑向承載能力比例進行比對，證實其軸承和支撐的軸向承載能力不足是軸承損壞或支撐失效過快發生的首要因素。在輸入端和太陽輪支撐中增加軸向承載能力強的軸承和改變支撐方式，可使軸承的壽命有效延長5～7a。

關鍵詞：行星減速機;直進式拉絲機;軸向承載能力;損壞原因;改進措施

1  行星減速機安裝結構

行星減速機具有減速比大、扭力大、相對體積小、安裝方便等優點，廣泛運用于直進式拉絲機(特別是大型直進式拉絲機)中。大多數的直進式拉絲機為立式拉絲機，拉絲卷筒的軸線成豎直方向，因此，行星減速機用于直進式拉絲機的主傳動系統時，多為豎直的安裝方式，減速機輸入軸通過帶輪將運動輸入，經過1～2級行星減速機構減速，運動由輸出軸傳遞給卷筒，減速機的中部法蘭通過一定的方式與拉絲機工作臺固連。其安裝圖如圖1所示。行星架支撐軸承損壞、輸入軸支撐軸承損壞和太陽輪支撐定位失效約占行星減速機非正常損壞的80%。筆者對其主要損壞因素進行分析并提出改進措施。

2  減速機損壞因素分析

2.1行星架支撐軸承損壞

圖1  行星減速機安裝示意圖

2.1.1軸向載荷來源

行星減速機用于立式直進式拉絲機時，行星架支撐軸承要承受較大的軸向載荷，這些載荷主要來源于:(1)與一級行星架相連的卷筒及其附件自身質量;(2)行星架及行星輪自身質量;(3)不同情況下鋼絲給卷筒施加的軸向力;(4)集于卷筒上的鋼絲質量;(5)裝配過程中的軸向靜壓力或沖擊力。

2.1.2軸向與徑向載荷比

在使用過的拉絲機中，一級行星架所受軸向載荷與徑向載荷的對比見表1。表1中軸向載荷僅考慮卷筒及附件自身質量，徑向載荷僅考慮徑向拉拔力。

表1  一級行星架軸向和徑向載荷對比

2.1.3圓柱滾子軸承軸向負荷能力分析

通常行星減速機行星架軸承基本都采用圓柱滾子軸承。圖2是某品牌行星減速機的行星架支撐結構圖。每一級行星架都通過圓柱滾子軸承支撐，在豎直安裝中，其軸、徑向載荷的比例見表1。設計者有意增大圓柱滾子軸承的型號，采用徑向滑動軸承這種徑向尺寸緊湊的方式為外圍的圓柱滾子軸承讓出空間。但實際使用中，這個地方首先出現破壞，整個減速機由于此處的定位失效而報廢。

圖2  行星架支撐結構圖(單位:mm)

圓柱滾子軸承油潤滑時所允許承受的最大軸向載荷^[1]:

其中:

F_ap———允許最大軸向載荷，N;

C_0r———基本額定靜載荷，N;

K———與軸承系列有關的系數，2、3系列軸承取K=0.2;

n_g———軸承受純徑向載荷時的極限轉速，r/min;

n———軸承實際工作轉速，r/min。

從式(1)中看出

是一個小于1的數，因此，F_ap是一個小于0.2C_0r的數。

采用多組軸承按實際工作轉速進行計算，所允許的最大軸向力僅為基本額定動載荷的6%～10%，且規格越大比例越低。當用于直進式拉絲機的行星減速機豎直安裝時，軸向力在未考慮行星架、行星輪質量、附加給卷筒的力以及裝配時力的情況下，其比例已經超過10%。由此判斷，軸向負載能力存在問題。

二級行星承受一級行星通過中心太陽輪傳遞下來的部分軸向力、自身行星架及其行星輪等自重產生的軸向力。由于二級行星采用的軸承比一級行星輕且小，額定載荷能力有限，也是容易損壞的零件。

2.2輸入端軸承損壞

在減速機的輸入端，輸入軸與皮帶輪相接，除了帶輪質量是軸向力的來源外，另一個來源是由于直進式拉絲機中卷筒傾斜一定角度，兩帶輪的高度和角度不能完全調整到一致，導致帶輪傳動中產生較大的軸向力。當這個力向下時，就會與帶輪的質量相疊加形成一個較大的向下軸向力。

圖3  原輸入端結構

圖3為某品牌行星箱的輸入端結構。使用不到半年，接連發生減速機輸入端軸承損壞的情況。因為2套軸承都是軸向承載能力較差的軸承，所以改為圖4結構，增加圓錐滾子軸承，并新增進油孔，使軸承潤滑充分，軸向支撐能力和軸承的潤滑狀況得以改善，已使用5a，沒有發生輸入端損壞的情況。

圖4  改進后輸入端結構

2.3太陽輪支撐定位失效

豎直安裝的行星減速機，中心太陽輪受到的軸向力比臥式安裝的減速機要大，主要來源于行星架。使用中多次發生太陽輪支撐定位失效的情況，定位失效導致零件移位、齒輪無法正常嚙合、非正常磨損和零件破損;如果處于上部的零件首先磨損或破損，磨屑和碎塊就可能直接損壞下部零件，甚至導致短時間內發生整機報廢。圖5、圖6、圖7是常見的幾種支撐形式。

圖5  復合太陽輪支撐形式

圖6  可傾瓦推力軸承太陽輪支撐形式

圖7  深溝球軸承太陽輪支撐形式

從設計結構來看，各個廠家的設計理念不同。圖2、圖6著重解決軸向力問題，其他的主要解決徑向定位兼顧解決軸向力問題;圖5的結構軸向和徑向都考慮比較周到。

從使用情況看，圖2支撐形式使用8a沒有發生損壞。這種支撐形式軸向承載能力較強，徑向定位主要靠下端太陽輪軸與行星架中孔的花鍵定位，較為穩固。

圖6支撐形式破壞發生最早和最多，一般為球頭破損和磨損，其中磨損的形式表現為黏著磨損，完全黏著在一起。分析其原因，一是其剛性和強度都比較低，易受力變形和損壞;二是接觸面積比較小，散熱差，在承受較大軸向力的前提下高速旋轉(二級行星太陽輪轉速在600～1200r/min)極易產生高溫，導致材料的表面強度和硬度降低以及潤滑油膜的破壞。金屬的磨損量與接觸壓力、摩擦距離(轉速高，一定時間內的摩擦距離就長)成正比，與材料硬度成反比;磨損量同時還與材料的凸出部分尖端形狀有關^[2]。圖6的尖端形狀較為尖銳，單位面積受力大，散熱差，所以磨損快。

對磨損起決定作用的是摩擦副材料的硬度，特別是彼此接觸的摩擦副雙方的硬度差^[3]，因此將圖6改成圖8形式，采用軸承鋼淬火嵌入太陽輪本體，其淬火硬度可達60～66HRC，表面粗糙度也容易提高等級(R_a在0.8以上)，消除硬度差，材質耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性均可保證，符合滑動軸承材質要求^[4]。這種結構很牢固，適當擴大了接觸面積，有效降低溫升，使用7a未發生損壞。

圖8  軸承鋼嵌入本體的太陽輪支撐結構

圖7支撐形式也發生過破壞，這種方式采用徑向定位，比較適合臥式安裝，但用于立式拉絲機中時，從行星架傳遞來的軸向力比較大，在軸承較輕的情況下，承受軸向載荷的能力很弱，因此容易損壞。

圖9  改用圓錐滾子軸承的太陽輪支撐形式

圖9是改進過的支撐結構:選擇圓錐滾子軸承，其徑向和單方向軸向承載能力均很好^[5]。多對軸承使用統計對比:相同尺寸的圓錐滾子軸承基本額定靜載荷約為深溝球軸承的3～5倍，基本額定動載荷為深溝球軸承的1.5～2.5倍;深溝球軸承任一方向軸向負荷可達未被利用的許用徑向負荷的70%，圓錐滾子軸承一個方向的軸向負荷可達未被利用的許用徑向負荷的70%^[6]。采用圖9形式，比原結構在徑向和軸向負荷能力提高1.5～2.5倍，效果相對較好，使用7a沒有發生破壞。

2.4行星輪定位支撐

在行星減速機中，由于結構尺寸的限制，行星輪的徑向定位支撐都采用滾針軸承。不同的是，有的采用雙列滾針軸承(圖6、圖7)，有的采用四列滾針軸承(圖5);軸承有的無內圈，有的無外圈。在拉絲過程中，要求減速機一直克服拉拔力單方向驅動卷筒旋轉，所以行星輪一直沿著自己的軌跡在自轉的同時作一個方向的公轉。而這個過程中，行星輪軸(或軸承內圈)是不作自轉的，因此一直單方向受力(圖10)。如果滾針軸承無內圈，造成軸單面磨損;如果有內圈，受力的方向也會首先磨損;如果滾針軸承無外圈，則行星輪內孔充當軸承外圈，但是由于有自轉，磨損會比較均勻。

圖10  行星輪軸受力示意圖

當行星輪軸或滾針軸承內圈單面磨損后，定位的作用自然消失，齒輪嚙合正確性得不到保證，導致齒輪的非正常損壞及其他機件的損壞。

行星輪軸或軸承的損壞并不是行星減速機最早發生故障的地方，但卻是在使用一定時間后經常會發生故障的地方。

3  結語

用于立式直進式拉絲機的行星減速機，行星架支撐軸承和太陽輪支撐軸承以及輸入軸的支撐軸承都會承受較大的軸向力。除了選擇足夠的扭矩和傳遞功率，還要了解內部軸承的配置情況，特別要重視行星架軸承的軸向承載能力;太陽輪的支撐在結構上應選擇強度好且軸向承載能力比較好的方式;行星輪軸承最好是有內圈的;輸入端軸承的配置要有能承受較大向下軸向力的軸承。否則會由于軸承定位的失效，造成其他重要零部件的非正常損壞，縮短減速機的壽命。