关于机械齿轮传动及传动失效的特性分析

关于机械齿轮传动及传动失效的特性分析

芮立鑫

芮立鑫

南京高精齿轮集团有限公司

摘要：齿轮传动装置在工业领域占有举足轻重的地位，其中齿轮传动装置的核心部件在于齿轮及其配套产品，因此在冶金领域应用该装置的过程中必须明确各项性能参数及主要的制造技术，并根据齿轮的特点选择合适的技术，同时还应结合齿轮的应用现状对其未来的发展方向进行预测，进而在精度、技术等多个方面加以调整，本文就对此问题进行了详细探讨。

关键词：冶金机械齿轮；齿轮传动装置；故障与预防措施

前言

冶金行业自上世纪70年代诞生以来一直呈高速发展之势，各地区在短时间内建立了多个规模较大的冶金企业，如宝钢和武钢等，在此期间各冶金企业购置了德国、比利时、日本等多个国家所生产的性能较好的传动装置，有效提升了齿轮装备的整体水平，但目前我国还应根据冶金企业发展的特点研发先进的制造技术，提升我国的自主冶金水平。冶金机械齿轮传动装置是利用齿轮及其配置装置进行传动的，本文讲述了冶金机械齿轮传动装置常见的故障与预防机制。冶金机械齿轮传动装置常见的故障主要有有齿面接触疲劳损伤、轮齿折断、齿而胶合和擦伤。下文对每种故障的产生机理、原因进行分析。并从齿轮的安装、齿轮的机械加工、齿轮的热处理三个角度去考虑冶金机械齿轮传动装置常见故障的预防措施。

一、制造技术

1.1现状

目前企业所采用的传动装置中的齿轮多为硬齿面，包括磨削、淬火等多种不同的形式。在齿轮制造过程中需要采用喷砂、齿根、压力淬火及探伤等多种先进技术，如果齿轮结构较为复杂且体积较大，还需要进行焊接。另外，齿轮制造对于精度及承载能力等多项参数要求较高，因此多采用单斜齿，如果在设计过程中存在一些限制条件，可将单斜齿进行组装，并且可以选择多流式传动装置，这样能够使力矩的传递效率更高[1]。另外，为了使齿轮的承载能力能够达到最高，需要采用变位、修缘等多种技术。此外，轧制机械中齿轮制造要求高，必须确保其精度高于80%，如果未能达到这一标准，则需要反复进行调整。

1.2性能参数选择

齿轮传动对于使用期限、经济效益、技术特点、承载能力等各个方面要求较高，为满足这些标准，必须做好性能参数的选择工作。具体来说，齿轮的副参数之间关联性较强，如果其中一项参数出现问题，必然会影响其他参数，因此需要考虑载荷是否均匀及强度等各项要素。对于配对齿轮来说，需要把握好大、小齿轮的载荷，确保两者载荷的分配足够均匀；对于同一齿轮来说，载荷均匀性的控制要点在于齿面和齿根。只要把握好这些要点，就能够确保齿轮的各项指标达到相关标准。另外，在选择齿轮参数时还应遵循以下几项基本原则。第一是中心距，需要根据强度进行计算，而没有直接可参考的标准，从制造成本上考虑，在满足要求的前提下，尽可能的选择小的中心距。第二是齿宽系数，轮齿越宽，承载能力越高，但增大齿宽会使齿面的载荷分布趋于不均匀，影响传动的稳定性，齿宽系数应取得适当。标准圆柱齿轮计算公式为椎d=b/d1，b、d1分别代表的是有效齿宽、小齿轮分度圆直径，并加以圆整，通常为防止装配后齿轮错位导致啮合齿宽减小，常把小齿轮的齿宽在计算齿宽的基础上增加5~10mm。第三是模数和齿数，在中心距确定后两者成反比关系。增加齿数，减小模数，能增大重合度，改善传动的稳定性，但降低了轮齿的弯曲强度。为了使齿轮的弯曲强度更大，应选择较小的齿数，这样便能够增大模数。

1.3齿轮材料

当前冶金机械用传动装置中的齿轮、齿圈等各个部件在加工过程中均选择的是性能较好的优质合金钢，具体来说，在加工调质齿轮时主要选择的是42SiMn及40Cr等材料，其硬度HB280~320。如承受重大冲击载荷的齿轮，选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，一般采用20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等材料，热处理后齿面硬度HRC58~63。另外，对于重载齿轮来说，必须在计算应力分布特点的基础上对硬化层深度加以调整。

1.4技术应用

轮齿修形是重载高精度齿轮加工的一个重要加工环节，可分为齿向和沿齿高两种不同的修形形式。前者的修形长度为L=0.1cos茁，修行量介于0.1到0.15之间。后者主要采用的是修齿顶的处理方式，在修形过程中应从单双齿的分界点开始，修形量应控制在角误差的两倍左右，但这两种修形方式都需要经过磨削处理环节，可由砂轮机完成。并且这两种修形方式均可用于调质、淬火等多种类型的齿轮，主要处理方式为磨齿[3]。另外，在处理齿轮时主要采取的是粗加工的方式，而对于齿根则需要控制好相切曲线，确保齿根足够光滑，这样就能够避免应力过于集中。

1.5轴承的选择

对于减速机而言，主要采用的是滚动类型的轴承。但在具体选择的过程中，还应把握好以下几项要点。第一，如果齿轮为短粗型，则应选择圆锥型轴承，并将弯曲度控制在0到2之间。第二，对于人字齿轮装配，则可选择球面轴承，尽可能的选用较宽系列，这样就能够在原有基础上减少轴承与镗孔的压力比。同时，还应控制好这两项参数的配合程度，确保最终的配合较为松动，以免轴向游动效果受到影响。

二、冶金机械齿轮传动装置常见故障的预防措施

冶金机械齿轮传动装置常见故障的预防措施主要从齿轮的安装、齿轮的机械加工、齿轮的热处理三个角度考虑。

从齿轮的安装角度考虑主要应注意以下几点：

(1)采用无损检测方法对齿轮齿面进行探伤，保证在安装前齿轮的质量可靠。

(2)严格控制冶金机械齿轮传动装置的安装精度。齿轮的安装不正确或者精度不高，会造成齿轮的接触不良，从而使冶金机械齿轮传动装置发生故障。

(3)严格控制轴承的相应安装精度，因为保证齿轮工作质量严格要求轴承安装运行流程。

(4)检查各个齿轮间隙和各齿轮方向的间隔。

(5)安装时所有关键点的螺栓，必须按照规定的紧固力矩上紧。

(6)密封件、易损件不得重复使用。

(7)润滑油应具有较高的承载能力、吸收冲击的能力、降低齿轮温度、防止齿轮生锈、防止疲劳点蚀等优点。

从齿轮的机械加工角度考虑主要应注意以下几点：

(1)保证齿轮部件的形状位置精度、尺寸精度、倒角及倒棱、齿顶齿端等机加工尺寸精度。

(2)严格控制齿轮表面的粗糙度，严格控制齿根的过渡圆角与齿轮根部的表面光滑，避免在齿轮的热处理过程中产生应力集中。

(3)渗碳齿轮、重载齿轮须进行齿廓修形，齿廓修形量小于齿轮廓方向受载变形量，达到沿齿宽方向的载荷均匀分布，保证齿轮安全运行。

(4)在磨齿过程中不得出现磨削裂纹，齿根处不得出现凸台。防止齿轮产生裂纹扩展和应力集中。

(5)在整个齿轮的生产加工过程中必须严格执行质量控制标准。

从齿轮的热处理角度考虑主要应注意以下几点：

(1)重载齿轮的心部硬度建议为30-40HRC，当齿轮心部硬度超过40HRC时，齿轮心部的韧性不足，当齿轮心部硬度低于30HRC时，齿轮心部的强度不足。

小结：总而言之，目前齿轮传动装置的性能较为完善，并且运用了各种先进的制造技术，但在冶金要求持续提升的过程中还需要对各项参数及零部件进行调整，不断提升技术水平，使得冶金行业能够进一步得到发展，也能促使设备的性能能够更加完善，本文就对此问题进行了深入探究。

参考文献

[1]陶慧明.浅析冶金机械齿轮传动装置的制造技术与发展方向[J].宝钢技术，2015（15）：176-178.

[2]王成，魏志饶，崔焕勇.齿轮传动效率测定试验装置的研究进展[J].制造技术与机床，2015（11）：218-219.

[3]廖少华.齿轮加工技术和装备的发展现状与趋势[J].世界制造技术与装备市场，2014（13）：49-51.