传动齿轮（共11篇）
传动齿轮 篇1
在齿轮传动系试制过程中, 产品组装完成后, 绝大多数厂家都会想到通过路试或模拟试验台测试产品性能及质量是否达到设计要求。试验内容包括速度、传动效率、载荷、疲劳、噪声、温度等, 设计人员以此作为判定设计是否合格或制造是否合格的主要依据。
试验台形式
根据试验要求制定试验台形式, 试验台按载荷分为两种:空载和加载试验。空载一般用于磨合试验, 通过磨合后, 测试不同转速条件下的齿轮噪声或异响等是否符合设计要求 (见图1) 。加载试验主要用于模拟试验, 测试产品各项性能是否符合设计要求, 包括承载强度试验、耐久性试验、温升试验、噪声试验、振动试验及传动效率试验等。
加载试验台按加载大小分为轻载试验及重载试验。轻载试验一般有机械加载和磁粉加载两种形式。由于磁粉加载具有调整方便、结构小、易于控制、投资小等优点而得到广泛应用。重载加载试验一般有通过水力、电涡流或电反馈 (见图2) 几种主要形式。由于前两种属开式试验台, 存在能源浪费的问题。随着人们节能环保意识提升, 这两种试验方法使用受限。近几年, 通过电反馈加载试验得到越来越多的应用。
电反馈加载有两种形式:直流和交流。前者投入小, 但占地大, 维护成本高, 后者与前者相反。在10年前基本以直流加载为主, 随着技术的日臻成熟及成本下降, 近几年交流反馈加载开始得到广泛应用。
交流反馈加载又分为交流外反馈及交流内反馈。外反馈是将加载电动机发出的电通过电回馈系统送到电网, 而内反馈则是电制动原理, 将加载电动机发出的电通过系统自动反馈到驱动电动机, 从而减少能量损失。内反馈电加载对电网影响降到最小, 该技术已通过国家863认证, 在工业领域得到推广, 由于节能环保的优点, 是未来加载试验台技术发展方向。
试验台加载技术分析
1.电制动原理
该控制系统以专用伺服控制系统为核心, 具有转矩控制、速度控制、能量自动回馈、正反向拖动自动切换等功能, 与磁粉制动器加载方式相比具有技术先进、发热小、无需循环水冷却、节能效果显著等优点, 其构成简述如下:
(1) 输入端驱动单元采用专用伺服控制系统 (控制器+电动机+其他选配件) 驱动变频电动机, 通过传动机构与传动系总成对接驱动。
(2) 输出端电制动加载单元采用专用伺服控制系统 (控制器+电动机+其他选配件) 控制的变频电动机作为负载, 通过传动机构与车桥总成对接实现加载检测功能。控制系统通过控制策略定制, 采用转矩控制方式控制负载电动机产生负载转矩, 负载电动机的能耗通过专用伺服控制系统自动回馈到驱动电动机, 实现能量回馈, 达到显著的节能效果 (见图3) 。
2.电制动与磁粉制动器的比较
(1) 负载电动机:22k W M D S P225M—8;磁粉制动器:2000N·m, 具体比较见附表所示。
(2) 节能磁粉制动器是在定子和转子之间的工作间隙中填充磁粉, 借助电磁吸力产生的磁粉间的结合力和磁粉与工作面之间摩擦力传递动力和运动, 并能控制调节转矩的制动装置, 在工作过程中的摩擦会产生大量热量, 必须通过水冷却的方法散发, 能量白白消耗。其能量流程为:外部电源→驱动电能→机械能→摩擦→热能→水冷。
电制动方式是伺服控制系统用转矩控制方式控制负载电动机产生负载转矩, 被拖动的负载电动机处于发电状态, 其电能通过控制系统自动回馈到驱动电动机端, 作为驱动电动机的电源。其能量流程如图4所示。
外部电源只要补充在机械运转时损耗的能量以及电动机自身的运转损耗, 系统就可以正常运行。节省了大量电能, 也不需消耗循环冷却水。据测试, 采用电制动方式, 一台22k W电动机在满载的情况下, 外部电源输入电能不超过5k W, 节能效果达到75% (中间无机械传动系) 。
(3) 反拖功能由于磁粉制动器是无源器件, 只能被动地被拖动, 不可能具有反向拖动功能。采用电制动方式的驱动和加载单元都是由专用伺服控制器控制变频电动机构成的, 通过系统设计及硬件扩展, 具备正反向拖动自动切换功能, 即当控制器接收到上位机发出的反拖指令后, 加载单元的伺服控制器将自动控制变频电动机处于驱动状态, 而驱动单元的伺服控制器自动控制变频电动机处于加载状态, 从而使系统的能量自动从原来的输出端流向输入端, 进入反拖状态, 可以模拟车桥处于下坡或制动时的运行状态。
试验台基本功能及特点
针对不同的试验对象, 可以方便地在工控机里设置转速、转矩、温度、时间等报警和失效参数。当上述信号超出设定范围时, 系统会自动报警然后停机。测控软件基于泰诚信公司虚拟软件平台开发, 人机界面友好, 可扩性强。可在任何时候, 根据新的实际需要搭建新的测控服务软件。
通过工控及测控系统可以实现多通道信号的数据自动采集处理及数据、曲线、报表的打印, 并能自动绘出在不同转速、转矩下的效率和温升曲线, 可建立试验数据库。
(1) 试验方式按照试验要求的转速进行无级控制, 在不同转速条件下加不同载荷后运转试验。
(2) 试验条件设定及模式切换通过计算机界面对各种试验模式下的试验条件如转速、载荷进行设定。通过控制面板上的按钮进行试验模式切换和显示。快速更换工作台上的夹具后, 即可在规定的柔性范围内, 转换为同类结构产品的检测。
(3) 数据采集与处理试验过程中由PLC对电动机转速、加载器等进行自动控制、自动模拟各种运行工况 (如正反转, 升降速, 低、中、高速稳定运行, 不同的两侧阻力矩、反向拖动等) 。可进行实时数据采集、处理和保存。
(4) 安全保护试验台具有以下安全保护功能:断电保护 (断电时不能对设备及产品造成损害, 来电后设备保持断电报警状态, 不会自动启动) 、旋转装置保护;超速保护 (驱动装置超过最高转速时进入报警状态) ;过载保护 (驱动装置超过最大转矩时进入报警状态) ;硬线路操控 (PLC、伺服控制器等出现故障不能停车时, 通过硬线路强迫停车) ;触电保护 (可靠接地或接零, 防止无意接触带电部分) ;自诊断功能 (能提示主要部位故障信号) 。
试验台使用注意
根据测试的目的, 选择相应功能的试验台, 一般分为生产现场用及实验室用。
生产现场试验台主要检查完成装配后的传动系部件是否合格, 当装配过程控制不好, 装配部件有的在试验台试验无法通过, 造成大量返工 (5%~10%) 。虽然试验台起到一定防止不合格品流入市场作用, 但也易造成返工、对返工件造成伤害等。因此, 我们认为现场配备试验台有必要, 但解决问题的根本是解决装配中存在的问题。
对实验室用试验台, 数据主要用来分析, 被试工件测试数据的准确性通过试验台可以做到, 但是产品装配是否合格, 是试验数据发挥作用的关键。装配不合格的产品测试数据会大打折扣, 无法判定产生的原因, 甚至误导产品的研发, 造成设计、制造、装配三个部门永不停息的战争, 产品的质量时好时坏, 严重影响市场品牌声誉。所以真正关键在于解决装配中存在的问题, 然后使用试验台, 才能充分发挥试验台的作用。
关键词：齿轮传动,试验台,装配
传动齿轮 篇2
强度极限σB
/MPa 圆周速度v/(m/s) <0.50.5-11-2.52.5-55-12.512.5-25>25 运动粘度υ/(mm/s)(40℃) 塑料、铸铁、青铜 ---35008055 --- 钢450-10005003502201501008055 1000-125050050035022015010080 渗碳或表面淬火的钢1250-1580900500500350220150100
注：1）多级齿轮传动，采用各级传动圆周速度的平均值来选取润滑油粘度；
2）对于σB>800MPa的镍铬钢制齿轮（不渗碳）的润滑油粘度应取高一档的数值。
煤矿机械传动齿轮失效形式浅析 篇3
【关键词】齿轮失效；形式；原因；改进措施
随着社会的不断发展，资源的开发面临着更为严峻的形势，对煤矿机械设备的功能要求不断增加，其所承担的动力也不断加强，因此机械设备内部传输动力的齿轮有着更为严格的要求，降低机械传动轮齿失效的概率是需要研究的主要课题之一。
一、齿轮失效的形式及其原因
齿轮失效主要分为五种形式，主要是传动过程中与其他材料相接处挤压和外界环境的影响，为了延长齿轮的使用寿命，我们首先根据齿轮不同的失效形式进行浅要分析。
1.齿轮折断
齿轮在使用过程中常常会出现齿轮折断的现象，齿轮折断直接导致齿轮失效的结果。这种现象经常在轮齿根部折断，这是因为其承担了自身难以承担的动力或重物；也有可能因为过度的使用导致齿轮疲劳过度，从而造成轮齿的折断。
2.齿面点蚀
齿面点蚀是导致齿轮失效的常见形式之一。齿面点蚀是因为齿轮长期过度的运转，有没有做到很好的护养和定前检查，就会在轮齿表面出现一些细小的裂纹，这些裂纹严重影响齿轮的承受能力和使用寿命；再加上齿轮运转过程中高压油等因素的挤压，轮齿上的细小裂纹会不断扩大，甚至会造成微小颗粒的脱落，最终导致齿轮不能正常运转，影响设备的正常运转。齿面点蚀的现象，跟齿轮的硬度和使用频率有很大的关联，较软材料制成的齿轮较之硬材料制成的齿轮更容易出现齿面点蚀现象。
3.齿面胶合
齿轮在传输动力或促使机械转动的过程中由于物体之间的相互运动产生的摩擦会产生很高的热量，尤其是在长期不停息的高速重载运转的情况下，高温很有可能将于齿轮接触的金属或其他材料与齿轮表面相融合，造成齿面胶合的现象。这种现象会造成齿轮外形的缺失或变形，从而降低甚至缺失其传递功能。
4.齿面磨损
齿面磨损主要分为两种情况，一种是齿轮在工作状态下，齿轮与接触零件之间的磨合造成的磨损；另一种是机械所处的环境造成，煤矿机械的工作环境本身就存在很多的固体颗粒，这些颗粒会造成齿轮的磨损，齿轮表面的的粗糙度也会影响齿面磨损的程度。
5.齿面塑性变形
齿轮的制作材料并不具备足够的强度，在重载高速的挤压下也会造成齿轮的变形。从动齿和主动齿之间动力的传递，彼此之间都存在力的作用，它们彼此相互挤压，接触的表面很容易造成凹凸不平的表面，这种变形程度足够影响齿轮的正常工作。
三、齿轮的改进
设计者在设计齿轮之时，根据该齿轮在不同场合的运用来确定齿轮所选用的各种材料，更加有利于齿轮在该环境下工作。针对齿轮失效的五种常见的失效现象有特定的应对措施，主要是根据齿轮的工作环境决定齿轮的材料组成和外形结构的设计。例如为了降低齿轮折断的可能性，则需要加强轮齿的抗弯曲强度；为了避免齿面点蚀，则需要提高齿面接触疲劳强度；对于在高速重载环境下工作的齿轮应该将齿面抗胶合能力作为重点设计对象。
1.设计原则
齿轮失效直接影响煤矿机械的正常运转，在煤矿机械中齿轮的大小有一定的规格，在不同的机械设备中一般都有一定的限制，因此设计之初，就是在齿轮大小基本保持不变的条件下加强抗接触疲劳能力、抗弯曲能力和硬度等性能，以提高齿轮的质量和使用寿命。对于煤矿机械所需承担的重量较大，根据强度、载荷、材料、外形、结构齿面粗糙度等多方面的因素，经过精密的计算和先进的技术促使齿轮达到煤矿工作的要求，从根本上提高齿轮的使用寿命。
2.正确操作
工人对于齿轮的正确安装和使用是保证齿轮正常运转的前提。煤矿工作需要承担很大的负载，因此在齿轮安装时和定期检修时都要保证齿轮的承载强度达到煤矿工作的条件。齿轮不仅仅需要考虑到承载能力，还有表面光滑度、轮齿的硬度等多方面都需要达到相关的标准；主动轮和从动轮要合理的结合在一起，避免不必要的磨损，损耗齿轮的寿命；还有就是一定要定期对齿轮进行检修，尽可能避免因齿轮带来的故障导致机械停转。
3.润滑剂的使用
现今，煤矿施工现场中齿轮的运转往往没有使用润滑剂的惯性或者不重视润滑剂的功效。我们应该发挥润滑剂的作用，而不是一知半解的不考虑环境、齿轮型号、机械型号等多种因素就使用一种润滑剂，这种现状不可能达到预期的效果，会缩短齿轮原有的使用寿命、加快磨损效率，从整体上拉低齿轮的功效，影响煤矿机械的工作效率。我们的工作人员应该根据科学理论和实际经验总结出不同型号、季节、工作环境等使用不同的润滑剂，并输入相关的数据库，便于维修时作为参考案例，从而延长齿轮的使用寿命。
4.提高整体的技术设备
齿轮质量的提升最终是为了提高煤矿的工作效率，从而提高生产效益，但是齿轮仅仅是需要提高的一部分，在整个煤矿企业当中，还需要将强机械设备的现今水平和提升管理水平。齿轮的质量也需要煤矿企业管理的监管系统的把关，它需要对于煤矿相关机械、零件的严格监控，保证硬件设备的质量问题；齿轮的作用是机械能的传递，直接作用于煤矿的相关机械，若是机械设备质量不过关或仍是老式的设备，尽管齿轮质量达到先进的水平，也只是鸡肋，起不到任何作用。煤矿企业只有整体水平的提升，才能使各个组成部分相互促进，共同进步。
结束语
综上所述，齿轮的失效主要有五种常见的形式，有的是齿轮本身的质量问题，也有机械问题，还有周遭环境的影响，除此之外也有管理水平问题等多方面主客观的问题。煤矿一直是高危作业，被保险列为特殊行业，其安全性和可靠性都需要极度的加强，小到齿轮的质量问题，再到機械的先进性问题，大到企业管理问题都需要引起足够的重视，甚至是国家的监管等诸多方面，以保证煤矿企业的安全性和经济性，从而推动煤矿企业的进步。
参考文献
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[3]王帆，李杨等.对煤矿机械传动齿轮失效的相关探讨[J].西部资源，2012（2）
传动齿轮 篇4
关键词：减速箱,失效,齿轮检测,间隙,标准
齿轮传动常见的失效形式, 主要是齿的折断和齿面损坏。齿面的损坏又分为齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形等。下面我们就针对以上齿轮的五种失效形式展开论述。
一、齿的折断
轮齿的折断一般发生在齿根部分, 因为齿根的弯曲应力最大, 而且是应力集中之源。轮齿的折断由三种情况:过载折断、疲劳折断、局部折断。
为了防止轮齿发生折断, 一方面可以采取工艺措施, 例如在齿根部的圆角不易过小、提高齿面加工精度, 以降低应力集中、从而消除产生疲劳裂纹之源。另一方面在设计齿轮传动时, 应通过限制轮齿根部的弯曲应力, 使其小于材料的许用应力的强度准则, 对轮齿进行强度计算或核验。
二、齿面点蚀
齿面点蚀 (也称接触疲劳) 是润滑良好的闭式齿轮传动中软齿面 (表面硬度HB<350) 常见的损坏形式。点蚀一般发生在靠近齿面节线的齿根表面上。
实践证明, 新齿轮在运转一段时期以后, 有时会发现点蚀的痕迹。但如果继续运转下去, 点蚀不再继续发展, 甚至反而消失。这种点蚀一般称为初始点蚀 (也称为收敛性点蚀或停留性点蚀) 。初始点蚀通常发生在软齿面上, 发生这种点蚀的原因是由于工作初期, 齿面偏离渐开线曲面较大, 在若干个微凸起处产生较大的接触应力而引起的。当齿面经过一段时间跑合后, 微凸起处逐渐变平, 从而扩大了接触区。又由于磨损、碾压等原因使其表面接触趋于良好, 高峰接触应力随之降低, 因而促使点蚀停止发展。对于中、低速齿轮传动, 此种齿轮仍可继续工作。
硬齿面 (HB>350) 上一般不发生初始点蚀。这是因为, 当齿面出现小凹坑以后, 由于材料的脆性, 凹坑的边缘不会被碾平, 而要继续碎裂下去, 一直到齿面完全损坏为止。这种点蚀一般称为扩展性点蚀。当发生严重的扩展性点蚀后, 齿轮除发生强烈的震动和噪音外, 并可能出现齿的折断。
当齿轮的热处理工艺不符合要求时, 硬齿面齿轮沿硬化层和心部的交界层处, 齿面有时会成片剥落, 被称为片蚀。
在开式齿轮传动中, 齿面的点蚀还来不及出现或扩展就被磨去。因此, 在开式齿轮传动中, 一般不会发生点蚀损坏现象。
一般来说, 提高齿面的硬度和光洁度, 尽可能采用大变位系数, 借以改善轮齿齿面的抗点蚀性能, 以及采用粘度大的润滑油等措施, 都有助于防止齿面发生疲劳点蚀。在设计齿轮传动时, 应通过限制齿面的接触应力, 使其小于材料的许用应力的强度准则, 对齿面进行接触疲劳强度的计算或校核。
三、齿面磨损
导致齿面磨损的原因有:在开式齿轮传动中, 由于齿轮外露, 因而金属微粒、污物、灰尘等易于进入齿的工作表面间, 而引起磨粒磨损。在闭式传动中, 轮齿间的啮合, 在齿面间除滚动外还有相对滑动, 从而发生摩擦, 使齿面磨损。如齿轮润滑良好, 齿面光洁度比较高, 则有助于减缓齿面的磨损。齿面发生严重磨损后, 将是正常的渐开线曲面齿廓变形, 齿侧间隙增大, 齿厚减薄, 并将引起冲击和震动, 使用寿命下降。
通常, 当齿轮齿面磨损而使齿面精度下降一级, 此齿轮即告失效。
四、齿面的胶合
齿面的胶合损坏多出现在高压 (重载) 、润滑不良;或高压、低速不能形成油膜的状况下, 是相互滑动的金属表面发生直接接触, 局部金属粘合在一起, 较软的齿面就会被较硬的齿面一块块的撕下, 形成很粗糙的表面。齿面发生胶合后, 将加速齿面的磨损, 使齿轮传动趋于失效。
此外, 在高压、大滑动速度下, 易使金属表面局部温度急剧升高, 而润滑油的粘度因此显著下降, 齿面间的油膜破裂, 也会发生齿面胶合。
齿面胶合损坏也可分为初始胶合及扩展性胶合两种: (1) 初始胶合:当齿面跑合或者建立了充分的润滑条件后, 齿面胶合就不再发展, 原来已经出现的轻微的胶合线还可能被磨掉。 (2) 扩展性胶合:它的特点是齿面布满胶合线, 甚至会连成一片, 齿面会严重变态。在此情况下, 齿面精度下降, 震动及噪音增大, 齿面温度急剧上升, 传动的摩擦功耗显著增大。
防止齿面胶合的方法是:控制齿轮传动的温升, 在低速时采用高粘度润滑油, 在中、高速或低速重载时, 采用具有抗胶合添加剂的润滑油。
五、齿面的塑性变形
综上分析, 齿轮传动的几种失效形式可以得出, 轮齿的每一种损坏形式的出现并不是孤立的。
通过以上对齿轮轮齿的失效形式的分析, 我们加深了齿轮传动知识的的学习, 掌握了有关齿轮失效的几种形式及其解决办法。这时我们再通过下面学习、掌握齿轮完好标准的要求、进行检测齿轮传动啮合接触斑点及间隙问题时, 就会准确明了、掌握实习操作的主动权。
传动齿轮 篇5
关键词：冶金机械；齿轮传动装置；制造技术；发展趋势
自上世纪70年代起，我国就已经建设了包括宝钢以及武钢在内的多个不同的现代化冶金企业，令我国冶金设备的整体水平提升到了一个比较先进的高度上，齿轮传动装置更是精品层出，例如：宝钢一期到三期所用到的各种齿轮传动装置当中就包括德国产FLAND以及比利时HANSEN、日本产三井三池等比较知名的品牌减速器，同时还有包括德国产德马克、日本产三菱等大型传动装置，它们对我国的齿轮装备水平形成了积极的影响。
1 在冶金设备中运用机械齿轮传动设备的技术
1.1 常用场合
首先，需要调节转速以及力矩，以期能够满足设备使用上的需求；其次，需要对传动路线进行分配，并且调节空间动力传递具体方向以及实际位置；第三，将动力进行合成或者是分流处理，也就是可以凭借一个单独的动力源，将动力分配到几个需要使用动力的动力源当中，并合成，整体供给工作机构。
1.2 现状
就当前来说，冶金设备当中利用的机械齿轮转动装置当中的齿轮，大多使用渗碳、磨削以及淬火的硬齿面的齿轮，通常在轧钢齿轮的传动装置当中很少会使用HB300之下的齿轮。
制造齿轮通常需要使用的是喷砂处理手段、齿根处理手段、压力淬火以及无损探伤四种，对大齿轮结构进行设计通常使用的是焊接齿轮。因为齿轮的制造进度以及承载能力在最近这些年以来有明显的提升，并且大面积地利用硬齿面齿轮，因此在进行齿轮结构的设计过程当中会常用单斜齿，例如宝钢冷轧机主传动的双齿轮座即该结构齿轮，并不会安装人字齿轮。假如受到结构或者尺寸上的限制的时候，还可以借助两个单向斜齿轮进行组合拼装成人字齿轮。尽可能使用多流式传动装置，能够在较小的环境体积当中传送较大的力矩。在实际生产过程当中，为了能够实现最大化的齿轮承载力，采用的大多都是变为齿轮以及延齿端修整等手段，通常轧机的传动装置齿轮副进行制造的过程当中，行业内对其的要求也相对较高，齿轮的接触精度需要实现80%甚至更高。
1.3 性能参数的选择
整体上来说，为了能够确保齿轮的传动能够拥有充足的承载力以及设想的使用寿命、比较理想的经济效益以及技术特征，需要选择正确且合理的齿轮啮合参数，不过齿轮副参数之间相互联系，并相互影响，需要进行全面且综合的考虑。
对一些大型的冶金设备当中的齿轮传送装置进行参数选择的时候需要考虑如下几点：不同等级的传动齿轮承载的均衡性，也就是等强度条件；机械当中配对齿轮当中大型、小型齿轮承载是否均匀；同样的齿轮齿面的荷载力（即接触的强度）、齿根荷载（即弯曲的强度）均衡性。只要保证这三个方面，在单位重量上，承载力就可以实现比较理想的指标。
对于齿轮参数，主要的选择原则基本如下：
首先，中心距，通常大型的主减速机中心距要结合强度进行计算，并没有标准可以遵循，大型件的中心距通常需要使用单件来进行加工，没有互换，没有批量，需要将降低成本作为主要目的，满足使用需求基础之上选择最小的成本消耗。
其次，齿数比，通常轧机齿轮减速机的单机传动齿数比要在5～6，其速比超过6的时候依然使用以及传动可能会导致减速机体积以及重量上的明显提升。
第三，齿宽系数，通常选用ψd=bd1，在该公式当中，b是有效的齿宽值，d1是小齿轮分度圆的直径值。在宝钢2030冷轧机主传动的双齿轮座当中，ψd值等于bd1，为0.82到0.44。在德国SMS的标准下，需要ψd≤1，6～2，假如轴→齿轮→机体的刚性都比较好，且制造精准度比较高，齿轮相对于轴承也呈现出对称布置，那么可以选择比较大的数值，否则就取较小的数值。
第四，模数m以及齿数z，在减速机的中心距明确之后，保证齿数和模数之间呈现反比例关系，此时选择较小的齿数和较大的模数会有利于弯曲的强度。
1.4 主要零件结构的设计情况
当前，大型的冶金设备当中，对于齿轮传动装置机体本身，通常选择焊接结构，其齿轮副结构形式也有很多不同的选择，例如轴齿轮、铸造齿轮以及锻造带孔齿轮、镶圈齿轮、焊接齿轮等，就当前情况来说，合金钢锻造齿轮以及焊接齿轮是比较常用的，而这也是伴随着机械工业的技术水平发展，而提升齿轮承载力必要的措施手段之一。
1.5 齿轮材料以及热处理技术
在现代化的大型冶金设备当中，齿轮传动装置当中最为重要的齿轮轴、焊接齿轮齿圈以及齿轮结构均选择最优质的合金钢材料，在这之中，调质齿轮选择的材料是38SiMnMo、42CrMo4以及35CrMo等，常规硬度是HB280～360。另外，渗碳淬火齿轮主要材料是20CrMnMo、20CrNi4、20CrNiMo、25Cr2Mov等，经过磨削之后，齿面硬度是HRC58～62，通常负载下，渗碳层的深度与有效的硬化层深度均有一定的要求。
另外，对于重承载齿轮来说，也需要对齿面应力分布进行计算，特别是在最大的剪应力上的深度值，之后将它作为有效的硬化层具体深度要求值可靠的依据。
1.6 渐开线齿轮的修整技术
当前，在现代化的大型冶金设备当中，有一些关键性的设备，例如转炉倾动设备以及轧机的主减速机当中的齿轮都经过修整，主要有齿向修型以及沿齿高修型两种。
齿向修型的长度L为0.1cosβ，修行量△为0.10～0.15，或者是4Fβ，在这一过程当中，β为齿轮螺旋角度值，Fβ为齿形误差数值。
沿齿高修型通常使用大齿轮以及小齿轮均修整齿顶的方式，修整的起点要稍微低于单齿以及双齿之间啮合分界点，同时，齿形修行量通常选择齿形角度误差两倍数值。
这两种修整方法都在对齿面进行磨削的过程当中借助砂轮修整以及专门的修整机构进行一次磨削形成。例如，宝钢2050热轧机当中的驱动装置齿轮副当中，不管渗碳淬火还是调质齿轮，其最终加工都是磨齿处理。它作为对齿轮轮齿进行粗加工的步骤，其基本要求是齿根在磨削之后实现和齿根曲线相切的关系，保证齿根的过渡为圆角，且光滑，消除应力集中作用。
1.7 选择轴承
通常减速机需要选择滚动轴承，齿轮→轴系比较长的时候，使用双列、球面的滚子轴承，在齿轮→轴系比较短且粗的时候，选择圆锥形的滚子轴承或者是径向的滚子轴承联合双列、圆锥形的滚子轴承。
针对人字齿轮的机座，通常采用的是双列、球面的滚子轴承。并且保证轴承的外圈和镗孔能够松动地配合，适应齿轮轴游动。
1.8 设计偏心套
为了能让齿轮齿面的接触效果比较好，同时保证侧隙，轴承以及镗孔之间通常会设置偏心套，其偏心距基本上是0.25毫米，可以很好地实现两侧齿面的接触形状对称，提升整个齿轮的承载力。
2 该技术未来发展
2.1 更高的强度
当前大型的冶金设备当中齿轮传动装置所使用的齿轮大多都是硬齿面技术，能够达到95%以上，在未来发展的过程当中，会进一步提升材料质量以及技术水平，实现更高的承载能力。
2.2 更高的精准
当代大型设备当中，大多使用磨齿以及硬刮削等精准加工的技巧，普遍能够实现齿轮精准度ISO6级甚至更高，齿轮的粗糙度大多是Ra0.8～1.6左右，令齿轮实现平稳转动以及较低的噪音等。
2.3 更完善的性能
齿轮在不断的发展和完善当中将会向着更大的模数以及更少的齿数发展，另外，在传动过程当中也会开始普及柔性均载机构，以实现更高的承载力；在原动机种类上将会不断地降低，能够很好地控制机构快速性以及准确性；在成本消耗上，将会实现更低的成本消耗，降低能源浪费。
2.4 更加复杂的系统
齿轮机械的自主性和带动性是其他部件所不具备的，也造就了齿轮机械的运用的广泛性。冶金机械齿轮传动装置作为一项大型设备工程，不仅仅地位非常重要，而且有很大的发展空间，未来的系统将会出现精密复杂的局面。协作更加和谐，系统也更加复杂。不论是从制造机床还是打磨技术，对齿轮的要求都非常的高，整个传动装置力学更加复杂，从而会使功效更加的完善，运用也会进一步增强。
3 结语
本文首先对齿轮传动装置技术的运用和现状进行了分析，然后从性能技术、主要参数、零部件配制、修整技术几个关键技术指标进行了分析，最后对齿轮装置的未来发展进行了展望，对未来齿轮传动装置的发展方向做了预期。在总的来看，冶金设备当中的齿轮传动装置已经有了比较好的发展现状，不过在未来的发展进程当中还会有更高度的提升和完善，给我国的冶金行业带来更良性的发展。
参考文献：
[1]陶慧明.冶金机械齿轮传动装置的制造技术与发展趋势[J].宝钢技术，2002（05）.
[2]王成，魏子尧，崔焕勇，等.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，2013（11）.
新能源齿轮传动机构 篇6
(专利申请号:201210069780.6)
本专利是由两条省力杠杆合并组成的齿轮式传动机。省力又省功的传动效果, 改变了以往只省力不省功的传动方式。应用于各种机械传动可以节能, 用于发电机可以增能。该机构由齿轮传动单元、动力单元、输出单元和润滑单元组成, 其中齿轮传动单元由大齿轮、中环轮、中传动轮或小传动轮组成, 中环轮安装在大齿轮内部, 其底部与大齿轮卡合。中环轮内部安装5个中传动轮。输出单元由连杆和曲轴组成, 中环轮内底部的中传动轮通过连杆与曲轴相连。该机构具有传动力矩大、传动效率高、耐疲劳性好、省力又省功等特点。
齿轮传动组创新运用研究 篇7
1 本方案出台前的行业现状
我们一般接触的齿轮传动组, 传动过程中, 每个传动齿轮的位置都是固定的。因此它们之间的距离是不可以调节的。如果需要实现齿轮传动中最后一个齿轮所驱动的机械结构, 相对于齿轮传动组中第一个传动齿轮, 分别在X方向上200毫米范围内和Y方向上150毫米范围内的灵活移动, 传统的齿轮传动组是无法实现的。
目前行业里没有可以实现这个功能的其它结构。通过电机, 伺服机构, 传感器, PLC或人机界面等程序控制等方式, 采用多个电机驱动的两个传动机构, 也可以实现两个机械结构之间的传动协调的无缝衔接及传动过程中它们之间的距离的可变性。但结构变得庞大和复杂化。设备调试需要较多的物质消耗和人工工时消耗。在以设备成本为主和设备机能性为主的现代设备行业中, 没有任何市场价值。
2 问题的提出和设计的迫切需要
PU/PVC人造革产品的多端化, 需要其同一台设备可以实施多样化的制造工艺, 这就要求设备有多端功能。这就对整条几十米的人造革生产线的不同设备, 尤其是微米级精度的精密涂布机提出了更高的多端功能要求。客户的特殊制造工艺, 需要有相应的机械结构来实现。实现较大范围距离的可调节变动的同步传动功能, 在不较高提高设备成本的前提下, 接受挑战的是研发人员的研发能力, 突破传统的机械传动的不可调节局限。
3 解决问题的创新设计, 齿轮传动组的创新运用
这里采用的方案, 是依托链条结构来固定的齿轮组的传动结构。即运用一组传动齿轮, 依托链条链销的固定, 在实现旋转运动不间断的传递过程中, 首尾两传动齿轮之间的位置可以灵活在较大范围内调节变动的功能。
这个齿轮组的创新运用, 因为依托了链条结构而变得首尾有柔性功能, 这里先称之为柔性齿轮链的可变距传动结构。这个结构, 是由N个依次单向相互传动的齿轮, 通过一长串类似桥梁结构的链条, 依次固定和连接组成为一个部件。其传动原理及零部件结构见图1。
由图1来看, 整个部件结构的原理及功能就很清晰明了。图1中, 主传动为运动机构1, 运动机构1的元件整体固定在设备壁板上。从动机构为运动机构2, 运动机构2的位置是可以变动的。运动机构2通过其它的图中未表达显示出的机械驱动结构, 实现XY方向上一定范围内的运动。也就是说, 运动机构1和运动机构2之间的距离是在传动中变化着的。设备壁板传动侧的运动机构1, 运动机构2, 齿轮传动链中齿轮的传动, 其首尾两个齿轮, 分别通过平键与运动机构1和运动机构2的传动轴连接, 实现扭矩传递。图1中的除首尾传动齿轮外的中间的5个传动齿轮, 通过径向滑动轴承, 在销轴上保持径向固定。安装有传动齿轮及滑动轴承的销轴与销轴之间, 通过固定在销轴两端的连接板固定其相对径向距离。传动齿轮和连接仮都安装在销轴上, 传动齿轮和连接仮之间, 传动齿轮是旋转的, 连接板是不同步旋转的, 它们之间用耐磨尼龙环来间隔, 耐磨尼龙环在这里起着端面轴承的作用。传动齿轮, 滑动轴承, 耐磨尼龙环, 连接板等都贯穿在销轴上, 并通过销轴两端的轴用挡圈, 可靠限定在销轴上, 使得组件在轴向可靠定位。齿轮的转动, 在整个扭矩动力的传递中, 就如行人过梯型软桥一样的原理, 一个人接一个人的, 紧挨着不间断的一节一节的跨过销轴及连接板等, 到达彼端目的地。这部分零件, 即齿轮, 滑动轴承, 连接板, 耐磨尼龙环, 销轴, 轴用挡圈等等, 是桥的组成元件, 起着桥架作用, 它们搭建了齿轮转动运动传递所需要的, 柔性的, 可灵活以销轴为中心转动弯曲的硬件平台, 造就了链节传动桥的两极之间的柔性, 这个柔性, 使得链节传动桥整线两端点之间的距离可变。销轴上的齿轮, 则赋予了这根柔性链条以连续传递转动的机能。
4 创新齿轮传动组中首尾齿轮之间可调节距离的计算方法
柔性齿轮组的可变距传动结构中, 主动机械结构1, 从动机械结构2之间的距离, 可调节范围见图2和图3。
图2为最大距离的示意, 图3为最小距离的示意。齿轮传动链中相邻的两销轴之间, 它们的距离是固定的, 这个值等于齿轮的分度圆直径, 本组图中的这个值见图2, 为95。柔性齿轮链上不相邻的销轴之间, 因着传动桥的柔性, 其距离是可以随意灵活的万向变动的。图2是拉直的齿轮传动组链。运用一般的几何常识, 很容易计算出首尾传动齿轮之间的距离, 就是这个柔性齿轮传动链的可传递最大距离Lmax。柔性齿轮链可传动的最小距离, 见图3。这个最小距离, 原则上是两个首尾传动齿轮之间的最近距离。但考虑首尾带动的传动机构, 即运动机构1和运动机构2驱动的零部件结构及其功能动作范围所需要的空间, 要在这个极限最近距离上增加值35。传动中各零件的参数, 比如齿轮分度圆直径, 模数, 齿数, 厚度, 销轴直径等, 是根据终端运动机构2需要的驱动功率, 在保证各零部件强度的前提下, 尽可能的减少机械结构的大小, 及传动零部件的数量, 在综合衡量多方面的因素, 精准核算后, 才最后确定的各零件参数, 比如齿轮分度圆直径, 齿轮模数, 齿轮厚度等等。这个过程需要一定量的计算或经验。因为当初做有关设计的时候, 详细过程资料在整机使用半年后处理了, 这里就不重做计算和叙述了。给到大家一个柔性齿轮传动链的可变距传动思路, 才是目的。图2, 图3, 示意的柔性齿轮传动链之间, 其可变距参数中Lmax, Lmin的计算过程如下。
D:齿轮的分度圆直径;
N:传动齿轮的个数;
Lmax:柔性齿轮链传动的最长距离;
Lmin:柔性齿轮链传动的最短距离;
Lmax=D* (N-1) =95* (7-1) =95*6=570;
Lmin=D* (N-1) +35=95* (2-1) +35=95+35=130。
可变距的柔性齿轮链传动结构, 在以后的实用设计中会有更多的优化变化和完善。
5 结束语
机电工程之发展思路, 是设计人员或研究人员, 面对实际项目, 在已有基础上, 思维峰回路转若干圈后, 有幸遭遇的一些活络的灵动。机电工程之发展, 是当这些灵动切实的实现到具体实体中, 体现到市场使用中, 并有一定效率价值时, 就是发展了。技术应用推动着工程进步。
摘要：这个创新结构, 使得一组传动齿轮, 依托链条的柔性, 在实现旋转运动不间断的传递过程中, 首尾两传动齿轮之间的位置可以相对有较大范围的调节变动的功能。这个结构在国内机械行业中, 尚是首创。
关键词：齿轮组,万向变动,滚子链
参考文献
[1]机械设计手册编委会主编.机械设计手册 (全套6本) [M].机械工业出版社, 2004, (8) 。
传动齿轮 篇8
回转窑等转筒设备是建材、冶金、矿山行业常见的设备, 其传动齿轮振动直接影响正常使用。振动多数反映在齿轮传动上, 有些振动并非齿轮自身原因。从多方面分析振动的原因, 可避免出现判断误区, 为设计、制造、土建、安装、使用和改进中预防和控制齿轮振动提供可靠的依据。
1 设计原因
1.1 水平分力大
如图1所示, 管磨机与回转窑不同, 传动基础的布置一般都根据齿轮压力角αn设计, 使大齿圈受力垂直向上[1] (或接近于垂直向上) 。变位齿轮的啮合角α′>αn[2]85, 变位系数与啮合角成正比函数关系。如果大变位齿轮传动管磨机根据压力角布置基础, 基础承受较大的水平分力, 造成基础和设备存在振动隐患[2]85。
1.2 重合度低
重合度低容易产生振动。重合度与齿数、模数、变位系数、螺旋角有关。大模数、少齿数、大变位不利于回转窑等转筒设备齿轮传动平稳运转。小模数优点在于噪音小、振动小、动载荷小;多齿数小变位斜齿轮的优点在于重合度高。
小模数多齿数齿轮在运行时, 多边形效应不明显;β为2°~5°的小螺旋角齿轮总重合度较直齿轮提高17.4%~48.3%[2]85;传统齿轮与小模数多齿数斜齿轮使用情况实例对比, 小模数多齿数小螺旋角 (2°~4°) 斜齿轮的重合度由直齿轮的1.2~1.4提高到2以上[3]168。因此提倡采用一多四小 (即多齿数、小模数、小变位、小螺旋角和小滑动率差) 设计方法[4]33。对于因不能承受轴向力而不宜使用斜齿轮的传动 (如现行的双滑履磨) 齿轮副, 则采用“多齿数、小模数、小变位和小滑动率差”或“多齿数、小变位和小滑动率差”或“小变位和小滑动率差”的“一多三小”、“一多二小”或“二小”设计, 也能显示出许多优越性[4]33。
1.3 变位系数过大
变位系数过大容易根切。在安装调试现场, 往往通过增大侧隙的办法解决根切问题, 但振动难以完全消除[5]。对于边缘传动管磨机, 增大侧隙解决根切问题一般很难符合产品标准中齿轮副侧间隙[6]8的规定。齿轮的顶隙和侧隙过大会引起传动部的振动或掰齿现象[7]。因大变位设计导致振动成为普遍现象。
1.4 齿宽系数过大
回转窑等转筒设备齿轮直径一般在3.5m以上, 国家标准规定齿轮精度为9-8-8级[8]6, 很难达到更高的加工精度。齿宽系数越大, 载荷沿齿宽分布不均匀的现象越严重[9]。回转窑等转筒设备齿轮齿宽系数一般以不大于0.8为宜[2]86。
1.5 弹簧板联接孔位置问题
1) 联接孔位置度与凸台铸造位置度一致性问题
弹簧板起传递传动扭力和支撑大齿圈的作用, 安装时在大齿圈跳动检测合格后配焊在筒体上, 大齿轮和弹簧板一般同时更换, 过高的要求没有实际意义, 只会增加因联接孔位置度与凸台铸造位置度不一致的报废率和制造难度。即便大齿圈翻面使用, 弹簧板也需更换。因此大齿圈与弹簧板的联接孔位置度不需要有过高要求。由于对联接孔位置度的认知不同, 可能某些设计对位置提出的要求较高或按标准规定的未注公差GB/T 1804-c级 (约±3~±4mm) 。即使放宽到未注公差GB/T 1804-v级, 公差也只有±6~±8mm。受铸造水平的限制, 普遍凸台铸造位置度只能达到±15mm或更大。为了片面达到没有实际意义的较高联接孔位置度要求, 导致联接孔不处于凸台中间位置造成严重偏心、孔的壁厚难以保证、凸台刚度不够或断裂的后果。
2) 联接孔的径向位置与铸造质量的稳定性
如图2 (a) 所示的成都某设计院设计的大齿圈凸台位置处于肋板外侧, 加上R角过小, R区容易产生铸造应力集中, 产生裂纹, 甚至断裂, 存在铸造风险;如图2 (b) 所示的南京某设计院设计的大齿圈凸台位置处于肋板相交处, R角半径达到150mm, 凸台不容易产生裂纹和断裂;如图2 (c) 所示, 改进凸台位置和形状综合考虑了铸造应力产生裂纹和断裂的风险以及铸造尺寸偏差。
1.6 半齿圈结构导致的加工变形
为了运输和安装, 传统大齿圈分成两半。如图3 (a) 所示, 设计结构决定切削加工容易变形。
如图3 (c) , 多瓣大齿圈变形分散, 防变形措施优于半齿圈。为了防止变形大, 同时方便运输和安装, 直径较大的大齿圈应采用多瓣结构。
1.7 其他设计原因
1) 滑动率差过大
未进行变位系数的合理分配导致滑动率差过大, 磨损快导致振动。
2) 大齿圈轮辐轮缘刚度差
大齿圈轮辐轮缘刚度不够, 甚至造成轮辐轮缘断裂。有些传动功率较大齿宽较大的大齿圈却采用单轮辐, 轮缘悬臂较长刚度明显不够。
3) 弹簧板刚度差
回转窑大齿圈弹簧板过薄, 刚度差, 导致齿轮振动。
4) 大齿圈哈夫面变形大
哈夫面处变形贴合处产生间隙造成齿距误差大产生冲击力, 导致哈夫面外侧的双头螺栓产生拉伸塑性变形和断裂。
5) 哈夫面连接螺柱小或退刀槽应力集中
哈夫面连接双头螺柱规格偏小或退刀槽应力集中引起断裂。
6) 大小齿轮齿数不互质
大小齿轮齿数不互质导致循环接触周期过短造成轮齿不均匀磨损。
7) 筒体挠曲大
对于长径比较大的管磨机筒体, 轴线挠曲较大导致大齿圈跳动大。
8) 齿轮硬度选择不符合规范
设计硬度偏小, 或大小齿轮设计硬度差严重超过范围, 导致不正常磨损。
9) 电动机功率选择偏小
由于物料停留时间、研磨体数量、耐火砖重量不同, 同规格设备在不同工况条件下的耗用功率也不同。由于未充分考虑各工况设备的实际情况, 导致电动机功率选择偏小, 回转筒体运转不稳定产生振动。
2 制造原因
2.1 大齿圈跳动大
由于加工残余变形引起哈夫面处贴合不到位, 造成齿距变大、径向跳动大, 安装无法调整到位, 如图3 (a) 所示, 非一次装夹加工或装夹跳动检测疏忽造成外圆与加工基准面B (安装法兰止口) 不同轴, 造成外圆跳动大。与齿圈外圆、法兰止口一次性装夹加工的端面应为基准端面。如图3 (b) 所示, 基准端面A应为跳动检测面。当滚齿装夹时基准端面A与非基准端面混淆 (即在非基准端面上进行装夹跳动检测) , 造成基准端面跳动大, 安装无法调整到位。
在切削粗加工时多次释放应力, 使精加工时应力处于较小状态, 或采用预应力加工, 可达到理想的防变形效果。
2.2 小齿轮跳动大
1) 如图4 (a) 所示, 轴孔与齿轮外圆轴线平行偏离, 以外圆作为齿形加工基准带来齿廓位置误差, 造成运转中侧隙忽大忽小。
2) 如图4 (b) 所示, 轴孔与齿轮外圆轴线孔内交叉, 外圆一端径向跳动大, 或外圆两端径向跳动都大, 造成运转中一端侧隙忽大忽小或两端侧隙大小无规律变化。
3) 如图4 (c) 所示, 混合误差集中在同一齿轮上, 轴孔与齿轮外圆轴线孔内偏离孔外交叉, 造成齿轮两端侧隙大小无规律变化, 产生振动。
2.3 回转筒体跳动大
中空轴、滑履和回转筒体组成大齿圈旋转支撑的巨型轴系, 瓦或滑履是旋转支撑点。中空轴或滑履与齿圈法兰加工不同轴会造成大齿圈安装无法达到端面跳动和径向跳动要求。管磨机国家标准规定:大齿圈对中空轴或滑环外圆跳动公差为大齿圈顶圆直径的0.25/1 000, 端面跳动公差为大齿圈顶圆直径的0.35/1 000[6]6。制造中由于落地车床的主轴承游隙过大、筒体端板 (或装夹工装) 弹性变形、顶针严重磨损和非一次装夹加工都会造成端面跳动和径向跳动误差不符合标准规定。
2.4 公法线长度变动公差大
机床精度差导致公法线长度变动公差大, 引起振动。有些制造厂只控制公法线长度公差, 不重视公法线长度变动公差重要检测项目。
2.5 齿轮热处理达不到规范要求
1) 大齿圈正火硬度偏低, 与小齿轮硬度差异过大, 导致大齿圈磨损快;或同一齿轮硬度差异过大, 磨损不一致, 导致使用中齿形产生较大差异。
2) 模数大、全齿高大、淬透层厚度小, 材料内部硬度小。小齿轮齿面硬度远小于齿顶硬度, 导致磨损快。
2.6 挡轮和轮带的接触锥角误差大
挡轮和轮带的接触锥角设计时交于回转窑中心线上, 安装时偏离一定的距离, 使挡轮向下受力。挡轮和轮带的接触锥角误差大产生滑动磨损, 挡轮外圆面形成不规则形状, 阻力增大, 滚动和滑动交替, 导致冲击性振动。挡轮靠近齿轮, 挡轮振动容易误判为齿轮振动。
2.7 其他制造原因
1) 轴承座的轴承孔或轴颈直径超差, 导致“跑内圈”或“跑外圈”, 轴承座、轴承孔或轴颈磨损较快, 配合间隙变大。
2) 哈夫面联接双头螺柱螺纹加工质量差导致松动或断裂。
3) 哈夫面联接双头螺柱未按规范进行调质处理, 强度不够。
4) 地脚螺栓螺纹加工质量差, 牙厚过薄受力变形, 导致松动。
5) 端板或齿圈法兰焊接应力未能消除或无法消除, 导致法兰产生裂纹或断裂、刚度降低。
3 土建和安装原因
3.1 侧隙 (或顶隙) 过小或过大
侧隙可以补偿回转窑等转筒设备齿轮的制造和安装误差, 适应运转中的径向跳动偏差、热膨胀和轮齿受力变形。侧隙过小容易发生咬死等现象, 导致润滑不良根切、不正常磨损和振动;侧隙过大容易导致冲击与振动或断齿现象。
3.2 大小齿轮轴心线不平行
大小齿轮轴心线不平行度直接反映为两端面侧隙不相等, 两端受力不均, 易出现非正常磨损。
3.3 螺栓 (或螺柱) 紧固不当
哈夫面连接紧固不到位, 哈夫面不贴合;齿圈法兰连接紧固不到位, 造成连接刚度不足;大齿圈连接螺栓 (或螺柱) 紧固螺母预紧力控制不当, 或松或紧, 或拧紧力超出拉力许用, 导致螺柱容易产生塑变、断裂;试运转磨合期间地脚螺栓松动。
3.4 地脚螺栓孔配合间隙过大
由于切削加工的地脚螺栓采用的圆钢大于螺纹外径, 导致螺栓孔径与螺纹规格配套不规范;同时由于圆钢弯曲使地脚螺栓螺纹加工时螺纹部分与光杆部分严重偏心, 导致螺母与孔周边的压紧接触面小或严重偏心接触。如表1所示, M56的螺杆直径为Φ60mm, 配合间隙达到9mm。如表2所示, 细杆地脚螺栓配合间隙明显减小, 如M56的地脚螺栓配合间隙只有4mm, 符合GB/T 5277标准规定的螺栓通孔直径要求;同时光杆部分直径大于螺纹中径, 符合GB/T799标准规定的地脚螺栓杆径要求, 材料消耗少且效果好。
mm
mm
3.5 小齿轮轴联轴器安装质量差
联轴器安装歪斜、不同轴, 超出偏离补偿范围, 而且影响联轴器寿命。
3.6 基础严重下沉
基础严重下沉无法调整导致大小齿轮啮合不到位, 或者导致基础抗振动能力差。一旦基础严重下沉, 修复基础将造成巨大的损失。
3.7 基础开裂
1) 由于商品混凝土质量、施工质量或基础载荷的富余量不够原因导致基础开裂产生振动。
2) 由于振动问题处理不及时引起基础开裂导致振动加剧。
3.8 挡轮安装位置不正确
挡轮安装中心线偏离窑体中心线的距离过大, 挡轮产生向上的拔动力, 使挡轮上移甚至损坏轴承导致振动。
4 使用原因
4.1 润滑油黏度和浸油深度
运行时润滑油从有限顶隙和侧隙空间向外和两侧面排出。黏度过高、浸油深度过深, 润滑油黏附量大、流动性差, 不利于保持啮合齿面润滑油的清洁性。黏度过大或浸油过深极易产生较强的无规律振动。较大振动时润滑油飞溅迹象为冰雹状同时伴有较大的撞击声, 而理想的润滑油飞溅状态为雾状或细线状[2]87。
例如咸阳某厂冬季调试的一台边缘传动超细磨, 称“起初振动就达到4m/s, 加半桶油后振动增加到8m/s以上”, 经过制造商分析确认, 其原因一是使用黏度过大的220#夏季用润滑油;二是轮齿浸油深度大于全齿深。加热调整润滑油黏度和调整浸油深度 (齿深的2/3) 后振动降低到1m/s以下。
4.2 润滑方式
回转窑等转筒设备齿轮润滑效果直接影响齿轮的使用。润滑形式通常为大齿圈浸油润滑、带油轮润滑和喷射润滑。
1) 浸油润滑对油黏度要求高和浸油深度要求高, 容易因黏度和深度问题引起齿面非正常磨损及振动。
2) 带油轮润滑浸油润滑对油黏度和油位没有过高的要求, 只有当带油轮轴承或轴套损坏时才会影响润滑。
3) 喷射润滑容易控制齿面润滑脂黏附量和均匀性。国产回转窑等转筒设备大齿圈齿面硬度一般为170~210HB, 运转磨损容易产生铁屑。喷射润滑缺少杂物沉淀功能, 如果铁屑不能脱离齿面, 就会造成不正常磨损。
4.3 轴承磨损
小齿轮两侧各有一个调心滚子轴承, 使用维护不当都会引起轴承的磨损, 导致轴承游隙变大或滚子非正常磨损出现点蚀, 使小齿轮径向振动变大, 小齿轮与大齿圈的啮合状态失衡。
4.4 齿轮磨损
齿轮不正常磨损的使用原因主要有:
1) 润滑不当, 润滑油品种选择不合理。
2) 长时间使用后润滑油变质。
3) 齿轮罩密封不到位造成润滑油存在杂物。
4.5 轮带、托轮或垫板磨损
靠近齿轮的轮带、托轮或垫板磨损后窑体中心线下降或偏斜, 齿轮中心距和顶隙变小, 不及时调整托轮轴承组将导致振动。其他的轮带、托轮或垫板磨损产生的窑体中心线下降或偏斜也会导致运转负荷增大产生振动。
4.6 瓦烧伤或磨损
边缘传动磨机轴瓦是通过瓦两侧进行温度测量, 反映温度区域不够全面, 瓦出现损伤或烧瓦现象时不能及时发现, 或者由于岗位工操作或电气问题, 在高压油压力未达到预定压力或高压油泵油路有问题时启动管磨机, 容易擦伤轴瓦。当轴瓦出现严重磨损或烧瓦时极易引起磨机运转不平稳导致大小齿轮啮合不平稳。
4.7 弹簧板丧失支承功能
大齿圈弹簧板联接孔和销轴磨损或齿圈下筒体变形导致弹簧板支承功能丧失。设备长期使用产生部分或全部弹簧板联接孔或销轴磨损, 配合间隙变大, 弹簧板失去部分或全部支承作用, 导致齿轮周期性振动;弹簧板处的筒体变形导致弹簧板支承功能失效, 产生周期性振动。
4.8 其他使用原因
1) 润滑、异物或其他原因造成轴承滚珠损坏。
2) 因地质原因出现基础下沉, 中心标高变化现象。
3) 管磨机长期停机不采用顶起措施导致筒体弯曲;热态回转窑停机不及时开启辅助传动导致筒体弯曲。
4) 挡轮轴承损坏, 挡轮与轮带不能正常接触。
5 振动控制与分析途径
5.1 振动控制
振动测量位置一般在小齿轮两侧的轴承座的水平方向、轴向和垂直方向, 从振动规律判断可能产生的振动原因。控制阶段和控制方法见表3 (不限于表3中的方法) 。
5.2 振动分析途径
产生振动的原因多种多样, 有一种原因导致的振动, 也有多种原因引起的振动, 一般通过以下途径 (不限于以下途径) 检查:
1) 用裂纹、断裂、弯曲、标高、油位、黏度、顶隙、侧隙、跳动、磨损等的目测检查和检测结果判断;
2) 用测量振动点、振动强度和振动方向判断;
3) 用异常声音、判断;异常温升;
4) 用维护和操作发生改变而发现异常情况判断;
5) 用振动的规律判断;
6) 用排除法缩小检查范围判断;
注:单筒冷却机和回转烘干机的振动原因、振动现象、控制阶段和控制方法与回转窑基本相同。
7) 用动态测量观察与静态测量相结合的方法判断。
6 总结
1) 对于回转窑等转筒设备边缘传动齿轮, 不同的原因可能产生同一种振动现象;同一种振动现象的造成原因可能出现在设计、制造、安装或使用阶段。
2) 在设计方面需对齿轮受力方向、重合度、滑动率差、变位系数、齿宽系数、刚度及硬度等进行振动原因分析。
3) 在制造方面需对大齿圈、小齿轮和回转筒体的同轴度、端面和径向跳动等进行振动原因分析。
4) 在安装方面需对侧隙、大小齿轮轴心线平行度、大齿圈的连接紧固情况、膜片联轴器同轴度和基础等进行振动原因分析。
5) 在使用方面需对润滑油黏度、齿轮浸油深度、润滑方式、轴承磨损、齿轮磨损、支承零件磨损、轴瓦磨损 (或烧瓦) 和磨机中空轴中心标高变化等进行振动原因分析。
6) 对于同一种振动现象综合分析才能走出判断误区, 对回转窑等转筒设备边缘传动齿轮振动原因作出正确判断。
7) 振动分析途径有目测检查和检测判断、测振仪测量判断、异常声音判断、异常温升变化判断、维护和操作方法改变判断、振动的规律性判断、排除法判断、动态测量观察与静态测量相结合判断等。
参考文献
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齿轮传动设备正常运行条件浅析 篇9
齿轮及齿轮产品是机械装备的重要基础件, 绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动, 它具有速比范围大、功率范围广、传动效率高、结构紧凑和工作可靠等一系列优点。
齿轮传动设备正常运行的基本要求一般来讲是两点: (1) 传动平稳-要求瞬时传动比不变、尽量减小冲击、振动和噪声; (2) 承载能力高-要求在尺寸小、重量轻的前提下, 轮齿的强度高、耐磨性好, 在寿命期限内不出现断齿等失效现象。
要保证齿轮设备在整个寿命期间安全可靠运行, 除了采取一系列先进技术和措施以提高齿轮传动设备的性能外, 更实际且重要的是应在采购、设计、制造、安装、运行维护各个阶段进行严格控制和管理。
2 齿轮设备在采购、设计制造过程中的要求
2.1 齿轮设备的采购
订货合同及技术要求 (或协议) 中有关齿轮设备的技术要求应正确和详细, 其主要内容有:功率、转速、速比、使用系数、外形接口尺寸、齿轮精度、材料、热处理、滑油品种和流量 (或油量) 、出厂试车要求等。
选择有严格质量管理体系, 并在同类产品的设计、制造中有良好业绩的单位或制造厂。
2.2 齿轮设备的设计和制造
齿轮设备经历设计、制造、安装和运行等各阶段, 每个阶段的质量都可能对齿轮设备的正常运行产生影响, 但设计质量是关键, 因为设计除了确定齿轮传动设备的外形、重量、接口尺寸、各种应力数据等主要技术指标外, 还确定制造、安装、运行各阶段的技术要求。没有正确的设计就不可能有正确的制造、安装和运行。为此, 采购前应对设计单位的图纸和相关计算进行必要的审核, 特别是大型关键设备。
齿轮设备在制造过程中应由制造单位完全响应订货合同及其技术要求中提出的内容, 负责设备制造全过程。齿轮设备的材料冶炼、锻造、热处理、机械加工和装配试车需经历无数道工序, 需大量的加工装备和检测仪器, 其中有些仪器, 特别是齿轮精度测量仪, 价格昂贵。此外, 有的大型齿轮精度测量是在齿轮加工机床上进行的;有的机械加工精度, 如某些形位公差是通过机床精度及加工工艺来保证, 工件下机床后不测量, 如要测量, 需价格昂贵的工装, 不现实。因此, 为确保制造厂的加工质量, 要求制造厂在交货时, 提供质量检验记录 (或称产品质量检验大纲) , 对于关键设备, 订货部门派员驻厂进行全过程督查。质量检验记录内容有:材质、热处理、关键机械加工尺寸、齿轮精度、装配和试车记录等。质量检验记录内容需经订货方同意, 所有记录应有检验员的签字并经质检部门确认盖章。
2.3 齿轮材料及其热处理相关标准的执行
加入WTO组织以来, 国家技术监督局发布了一系列与国家标准化组织相接轨的标准, 但实际情况是国内许多齿轮供方仍没有严格有效地执行最新标准, 尤其在齿轮材料及其热处理质量标准方面, 这就直接造成了我国虽然已经成为齿轮生产大国, 但却不是齿轮强国。
齿轮材料及其热处理是影响齿轮承载能力和使用寿命的关键因素[1]。目前低速重载齿轮传动设备尤其在冶金企业渗碳淬火齿轮无疑是最多的, 对于渗碳淬火齿轮的材料和热处理质量更应该引起充分重视。
国家机械工业委员会重型机械局在1986~1988年期间, 先后发布了以下企业标准:JB/ZQ 4290-86齿轮、齿圈锻件用钢;JB/ZQ 4038-88重载齿轮渗碳质量检验;JB/ZQ4039-88重载齿轮渗碳金相检验;JB/ZQ 4040-88重载齿轮渗碳表面碳含量金相判别法。
2000年7月24日, 国家技术监督局又发布了与国际标准化组织ISO 6336-5:1996等效的GB/T 8539-2000齿轮材料及热处理质量检验的一般规定。随之与ISO6336-5等同的GB/T3480.5-2008又替换了GB/T8539-2000, 表1是GB/T3480.5-2008标准中渗碳钢 (锻造或轧制) 中要求的项目。
把该标准以上要求的项目与JB/ZQ标准进行对比, 可以发现GB标准要求的项目增加了许多项, 对质量控制更严, 说明国际和国内对渗碳齿轮材料和热处理质量的高度重视。
GB/T3480.5-2008标准第6节中材料质量及热处理工艺要求6.1一般原则中还指出:所给出的内容已经通过实用验证, 可用作指导性文件。当采用这些疲劳极限值时, 材料等级的各项要求应该保证。当然根据各自的经验, 齿轮制造厂家也可采用其他的方法或数据。但应由齿轮供需双方对细节达成协议, 尤其是对大型齿轮。
造成齿轮厂家没有按其要求严格执行的主要原因是一则要求检查的项目内容多;二则每项指标对齿轮可靠运行的影响不直观, 而达到指标要求的工艺难度大, 成本高, 在追求经济效益时放松了齿轮和热处理质量的要求, 而国外先进的制造厂家却对该项目非常重视, 还在不断提高渗碳齿轮材料和热处理的质量, 以下我们接触到的两起渗碳齿轮事故足以说明问题。
事故一:宝钢2050F4热轧齿轮箱小齿轮用国产渗碳淬火齿轮换装运行后, 在小齿轮上发现齿面大块剥落, 而与之相啮合的原机大齿轮为软齿面, 却没有任何损伤, 这显然是小齿轮材料、热处理质量有问题, 因为质量合格的渗碳淬火到60HRC钢的许用接触应力高达1600N/mm2, 而合金钢调质到300HBS的软齿面齿轮的许用接触应力只有850N/mm2。
事故二:宝钢6号空分增速箱小齿轮圆周上一个齿局部断裂后, 德方分析认为, 主要原因是由于齿长接触只有30%, 引起齿局部过载, 并指出, 断齿部分的金相检验或许能表明断裂开始是由于夹杂物, 但这分析其实不能解释事故的真正原因。
事故后, 德方更换的新小齿轮材料质量, 按照该德国公司的新标准, 提高了对夹杂物的要求, 对热处理进行了改进, 以保证材料硬度均匀, 化学成分分析要求减少硫、磷的含量, 提高了原材料的性能, 要求氧化物和铝夹杂物的尺寸更小, 超声波验收采用改进的测量方法, 要求可测夹杂缺陷尺寸最小。
3 齿轮设备从安装到运行期间的使用维护要求
3.1 齿轮设备现场安装和运行维护要求的内容、重要性和
实施措施
重要或专用齿轮设备都随机附有总装配图和使用维护手册 (规程) , 大体上有以下主要要求:
现场安装要求: (a) 齿轮箱体结合面找平和齿轮接触; (b) 与主、从动机轴的对中。
运行和维护要求: (a) 润滑油品种和流量 (或油量) 、油温和油压; (b) 轴承温度; (c) 振动; (d) 操作规程、日常维护和定期检查项目.
毫无疑问, 在齿轮设备实际使用中是必须满足总装配图和使用维护手册规定的要求。以下两例足以说明遵循该要求的重要性。
(1) 宝钢150T电炉钢包倾翻装置技术手册规定的操作要求[2]。
随机的技术手册规定:钢包在水平位置或接近水平位置停留后, 必须回到钢包底部朝下的位置, 以免起动时电动机超载;正常操作时, 钢包自底部朝下的位置开始转动到底部朝上的位置 (转动180°) , 然后返回在水平位置停留, 以便操作、维护, 最后返回到底部朝下的位置 (起始位置) 。
以上操作顺序的必要性在测试时得到了验证。由中冶集团北京冶金设备研究总院2002年9月编写的《宝钢电炉钢包倾翻装置负荷测试分析报告》第5.1条:在3#工况 (钢包自水平位置停留后, 继续转动到倒立位置, 即钢包底部朝上的位置) 开始阶段, 由于电动机带载起动, 引起较大的扭矩冲击, 扭矩峰值达1.197kN·m, 是额定扭矩0.877kN·m的1.36倍, 是起动前水平负荷的1.74倍, 这是本次测试中高速轴出现的最大动态扭矩。
报告第6.3条:当传动系统带载起动时, 将出现较大的扭矩冲击, 使传动系统过载。由于钢包水平位置负载最大, 因此在生产中应避免在水平位置起动。
(2) 以前述宝钢6号空分增速箱为例, 说明按使用维护手册要求达到齿轮齿长接触精度对于齿轮安全运行的重要性和安装、运行阶段应采取的措施。
1) 齿轮齿长接触精度对于齿轮安全运行的重要性
齿轮齿长接触精度影响轮齿的接触、弯曲强度和使用寿命, 同时影响齿轮的振动和噪声。宝钢6号空分增速箱是德国FLENDER公司的产品, 该公司提供的“齿轮箱运行和维护规程”对齿轮齿长接触有明确的要求, 现摘录如下:
第4.3节要求:不需吊走上箱体, 在齿轮箱下箱体结合中分面上, 用平尺和水平仪找正平面度, 公差±0.02mm/m, 以保证齿轮接触良好。该法不需吊走上箱体, 可以在任何时候使用, 检查箱体平面度。
第4.4节规定:安装时齿轮接触长度为75.4%~86.3%。
第6节建议:在检修计划中应包括检查齿轮接触精度 (通过检查孔) 。齿轮一端接触是齿轮箱基础和轴承变形的信号, 一端接触对齿轮十分有害, 特别是对于透平驱动的齿轮传动, 必须查清原因, 并尽快消除。
第9.3节规定:检查箱体不应扭曲是齿轮箱维护的一项内容。
按第9.4节规定, 定期检查的时间间隔段为:
(a) 目检齿轮接触。投入运行后200h、8000h、16000h、24000h、32000h、40000h……。
(b) 通过涂料检查齿轮接触。投入运行后200h、32000h、64000h、80000h。可见, 该公司十分重视齿轮齿长方向的接触精度, 从安装开始到运行各阶段有一系列的严格要求。
(c) 轮齿弯曲疲劳强度计算分析结果也表明该齿轮接触精度的重要性。假如找正情况良好, 在满负荷时达到100%接触, 因基础变形导致接触长度减少到30%, 这时轮齿弯曲强度安全系数由2.57下降至0.83, 显然这种情况是极不安全的。可见, 齿轮齿长接触精度十分重要, 应严格按照齿轮箱运行和维护规程要求, 在安装时达到要求, 并在运行各阶段定期检查。
所有领域中使用的齿轮接触精度都是出厂前的必检项目, 安装时应达到图纸要求值, 运行期间应定期检查。
2) 影响齿轮齿长接触精度的项目[3]
(a) 齿轮精度, 如齿向误差; (b) 轴承精度, 如轴承内外圈同轴度、轴承磨损等; (c) 齿轮箱体轴承孔的平行度。它首先取决于机械加工时的镗孔精度, 其次是齿轮箱装配、现场安装和运行时齿轮箱的支承对轴承的平行度的影响; (d) 输入轴、输出轴联轴器的对中度。
以上 (a) 、 (b) 项与制造有关, (d) 项与安装有关。 (c) 项既与制造有关, 也与安装使用有关。
保证齿轮齿长接触精度应按齿轮箱总装配图或使用维护规程要求对中, 特别应注意采用刚性法兰联轴器对中时, 应排除主、从动机对齿轮的影响。
3) 保证在装配、安装和运行各阶段齿轮箱镗孔时获得的精度不受破坏的齿轮箱安装或检查方法
齿轮箱并非绝对刚性, 当它支承在其支承面 (基础) 上, 用螺栓紧固时, 会贴合于刚性更强的支承面。保持镗孔时得到的精度, 就应尽可能保证上述各阶段齿轮箱支承面的一致性。对于用户, 要注意齿轮箱出厂试车时支承与现场安装支承和运行时支承的一致性, 以便简捷地达到图纸要求的齿轮接触精度, 通常有以下方法: (a) 对齿轮箱镗孔、工厂装配、现场安装时的齿轮箱支承面的平面度提出严格要求, 即保证各阶段齿轮箱支承面的一致性; (b) 齿轮箱镗孔、装配、现场安装或运行阶段检查齿轮箱下箱体上中分面的水平度。
有的单级传动在齿轮箱下箱体中分面上的两端设置外伸的凸块平面, 用以安放水平仪。该法常用于单级传动或细长的齿轮箱, 齿轮箱的扭曲变形会在两端外伸的平面上反应出来。此外, 也有在齿轮箱两端伸出两个平面, 以支承平尺和水平仪进行测量, 这种方法测量更精确。本节介绍的测量方法不需吊走上箱体, 可以在运行时测量。
对于多级传动的大型齿轮箱, 在安装时, 同样可以在箱体中分面上规定测量点, 用以支承垫块、平尺和水平仪, 测量平面各点的水平度。由于大型齿轮箱平面大, 刚性差, 各点不大可能都调整到足够的水平度, 出厂时齿轮接触精度达到图纸要求后, 记录各点的水平度值, 在现场安装时, 重复达到的记录值, 便能重复出厂时达到的齿轮接触精度。用本测量方法测量时, 必须吊走上箱体, 不能在运行时检查。
4) 安装、运行阶段保障齿轮齿长接触精度的措施
(a) 按照图纸和使用维护规程规定的齿轮箱安装方法进行安装, 确保达到要求的精度。可用国产CT-1涂料检查, 该涂料没有红丹粉涂料厚薄不均的弊病; (b) 按照图纸和使用维护规程规定的输入输出联轴器对中精度对中, 排除主、从动机对齿轮接触精度的影响; (c) 齿轮箱试运行期间, 也可用国产CT-2涂料检查齿轮接触精度, 并按使用维护规程规定周期检查。
对于无使用维护规程的齿轮箱, 应在日常维护和检修计划中规定检查方法和间隔时间。检查周期可根据齿轮箱的重要性、齿轮箱支承基础变形和轴承磨损的可能性、检查方法难易和是否需要停机等因素来确定。例如上述介绍的检查齿轮箱变形 (影响齿轮接触精度) 的方法, 不需停机, 工序也不复杂, 检查周期可短一些。
3.2 严格执行齿轮设备随机图纸和文件要求的实施措施
(1) 对国外齿轮设备图纸和使用维护规程进行正确翻译 (建议由齿轮专业人员核对) , 在消化理解的基础上, 结合生产实际, 以简明扼要的文字编制具有可操作性的文件: (a) 操作规程; (b) 日常维护手册。
(2) 明确执行单位和执行人, 在文件充分讨论后定稿。
(3) 定期检查执行单位和执行人的记录和签署情况。
4 齿轮设备的检修
检修能够使设备处于良好的技术状态, 提高运行可靠性。
制定检修制度是必不可少的重要环节。检修制度可以时间为基础的预防性计划检修, 也可以设备技术状态为基础的检修[4]。建议从单纯以时间周期为基础的检修制度逐步过渡到以设备的实际状态为基础的检修制度。这就要求不断积累齿轮设备从设计、制造、安装、运行和检修各阶段的资料, 并采用状态监测和故障诊断技术的先进仪器, 对设备进行分析和动态管理。并确定简易诊断或精密诊断法及其仪表, 分清主次, 逐步推广。
当前故障诊断是发展中的新学科, 掌握难度大。对齿轮故障诊断需要综合学科知识:既要掌握诊断技术理论和仪表的使用, 又需齿轮设备的设计、制造知识和齿轮所在系统的主、从动设备知识以及整个系统的知识, 必要时需对系统进行分析计算。这样, 往往需要不同专业人员的密切配合和合作。通过故障诊断和检修验证, 反覆实践, 积累经验, 不断提高确诊率。
5 结语
为满足齿轮设备的正常运行条件, 必须为订货、设计、制造、安装、运行维护各阶段建立一整套行之有效的管理
制度。其内容主要包括: (1) 订货合同及技术协议中技术要求的正确和详细的规定; (2) 选择有严格质量管理体系和有良好业绩的单位或制造厂; (3) 对设计图纸和相关计算进行必要的审核; (4) 要求制造厂提供质量检验记录, 并对关键设备派员驻厂进行全过程督查; (5) 严格贯彻执行使用维护规程; (6) 采用先进仪器进行状态监测和故障诊断, 判断设备实际状况; (7) 建立设备在订货、设计、制造、安装、运行和检修各阶段的状态档案; (8) 逐步过渡到以设备状态为依据的检修制度, 降低使用维护成本, 确保设备正常运行。
只有将质量控制和技术管理相结合, 才能确保齿轮传动设备在寿命期间正常运行。
参考文献
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[2]马丽君, 冯萍.150T钢包倾翻装置的国产化改进设计[J].机械制造, 2013 (5) :22-24.
[3]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.
传动齿轮 篇10
（1.上海内燃机研究所 上海 200438；2.上海汽车商用车技术中心，上海200438）
汽车驱动桥主动锥齿轮是汽车传动系统的关键零部件，其工作性能、使用寿命、振动、噪声等在很大程度上取决于齿轮的传动质量［1］。因此，分析驱动桥主减速器锥齿轮传动对提高驱动桥产品的质量有重要的意义。
齿轮接触印迹和传动误差是评定齿轮传动性能好坏的重要依据。由于驱动桥锥齿轮齿面几何拓扑结构非常复杂，加之传统设计方法及制造手段的落后，其啮合质量的控制非常困难［2］。传统方法主要是在滚检机上看配对齿轮的接触区及听传动噪音，这主要依靠有经验的技术人员来保证，过程较为繁琐［3］。利用MASTA对配对齿轮接触印迹和传动误差进行仿真分析将会简便这个调整过程，有利于快速有效地获得良好的齿面接触质量。
1 齿轮接触印迹与传动误差
在齿轮啮合过程中，两齿面连续相切接触，在固定坐标系中，任一时刻两齿面都有公共接触点，且有相同的公法线。由此得到下式成立：
式中：θp、φp、θg、φg分别为小轮和大轮齿面的曲面坐标，φ1、φ2分别为小轮和大轮啮合转角。
式（1）为一个非线性方程组，将方程组中各个矢量分量展开，可得到5个独立的标量方程。而未知数有6个，此时取φ1值为输入值，以一定的步长不断改变，直到接触点超出边界为止。这样给定初值，可以求得其余 5 个参数。 将求得的 θp、φp和 θg、φg分别代入到齿面方程r1→（1）（θp，φp）和r2→（1）（θg，φg）中，即可得到齿面上接触点，这些接触点构成了接触路径。
由图1可得到接触椭圆长轴和短轴方向矢量：
以绘制大轮接触印痕为例，将坐标系Sh下ηh、ζh转换到齿轮坐标系S2中，可得：
在绘制接触印痕时，接触椭圆长轴与短轴与节锥母线的夹角为：
求得每个接触点以后，各接触点接触椭圆的长半轴a和短半轴b可由下式计算得出。
求得一系列接触点处的φ1、φ2，可由下式求得传动误差：
式中：φ1（0），φ2（0）分别为两轮在参考点啮合时的初始转角。
2 MASTA接触印迹与传动误差曲线分析
正确解读齿轮的接触印迹和传动误差曲线，对分析齿轮传动性能、啮合质量以及在实际中的运用都起着至关重要的作用。齿轮的接触迹线和传动误差曲线在实际的过程中是多种多样的，特别是传动误差曲线，所包含的信息量很大，对每一种齿轮可能出现的接触情况，都能在传动误差曲线中反映出来。
2.1 MASTA接触印迹曲线
齿轮接触印迹曲线是齿轮在瞬时接触过程中接触点在齿长和齿高方向的位置，MASTA软件采用局部综合法计算得到的齿轮接触印迹曲线如图2所示。横坐标为齿宽方向，纵坐标为齿高方向，图中的点为齿轮的瞬时接触点，黑线为齿轮的点接触线，红线为潜在的接触椭圆的长半轴的方向及长度。由接触印迹曲线可以得到齿轮接触区域的位置、大小和形状并判断出齿轮是否存在边缘接触。
驱动桥锥齿轮接触区域的位置大概可以分为三种：中间接触，小端接触，大端接触。分别如图3、图4和图5所示。
当齿轮出现小端接触和大端接触时，齿轮传动时将产生严重的振动和噪声，并且大大地缩短了齿轮的使用寿命。正确的齿轮接触印迹曲线应该是齿轮接触斑点位于齿面中间位置，长度为齿全宽的70%左右，高度为全齿高的60%左右，接触区域也不应该太大，否则在受载时容易出现边缘接触，接触区域也不应该太小，这将影响齿轮的传动质量。
2.2 MASTA传动误差曲线
MASTA软件由式（6）计算得到的传动误差曲线如图6所示。齿轮传动误差曲线反映了齿轮啮合的动态特性、载荷分配、重合度和齿面接触特性。
（1）传动误差曲线波动程度可反映出齿轮幅的动态性能，波动幅值愈大，振动愈大，噪音愈大；波动幅值愈小，传动愈平稳。当齿轮传动误差设计幅值较大时，轻载传动误差波动大，而重载时变形补偿作用使波动减小；反之，当设计幅值较小时，轻载传动误差波动小，重载时易出现边缘接触使振动噪音加大。
（2）几何传动误差相邻两条曲线上同一横坐标上的传动误差值反映了可能同时接触的两对齿的初始相对位置。载荷在两对齿间的分配既取决于齿对刚度（变形），也取决于初始间距。
（3）几何传动误差曲线下端宽度与啮合周期之比即为齿轮的设计重合度。重合度越大，轮齿受力越小。理论上重合度大于1齿轮即可连续传动，目前最大能达到3甚至4。当承载传动误差超出几何传动误差下端时，出现边缘接触，即齿面与相啮合齿的齿顶刃接触，产生振动与强度问题。
（4）几何传动误差曲线不交叉（见图7），齿轮出现边缘接触。这在齿轮设计中是应该避免的。
（5）几何传动误差曲线向上弯曲或呈S形（如图7）时，齿面产生桥式接触，伴随严重的振动；各齿对传动误差曲线不连续时（如图7），产生边缘接触。因此，理想的几何传动误差曲线应向下弯曲、齿对间连续且两下端尽量对称，此时产生边缘接触的可能性相对小。
2.3 实例分析
以某驱动桥主减速器锥齿轮为例，齿轮参数如下表所示。根据驱动桥主减速器齿轮、轴和轴承的详细参数在MASTA中建立驱动桥的仿真模型，如图8所示。齿轮基本参数见表1。
表1 齿轮基本参数
在MASTA中进行驱动桥主减速器齿轮的仿真分析，得到驱动桥主减速器齿轮的接触印迹和传动误差曲线，如图9、图10所示。
由接触印迹曲线可以看出齿轮的接触区域位于齿面中间，大小和形状也比较合适，不产生边缘接触；由于此驱动桥多用于重载工况，故传动误差设计幅值较大。由传动误差曲线计算得齿轮的重合度为3；传动误差曲线交叉，向下弯曲，齿对间连续且基本对称。由此可知，这对齿轮在传动过程中啮合质量较好、振动噪声小、受力均匀，且使用寿命较长。
3 结论
利用MASTA软件仿真计算得到驱动桥主减速器齿轮的啮合印迹和传动误差曲线，全面分析了啮合印迹和传动误差曲线所反映的齿轮传动的众多信息，为锥齿轮啮合质量的评定提供依据，避免了依靠经验的定性评价。并且，在驱动桥主减速器齿轮设计开发阶段，进行齿轮齿面接触的仿真分析，可以有效的减少试验费用，缩短开发周期，为今后的驱动桥主减速器齿轮的开发与运用提供了较好的指导作用。
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行星齿轮传动系统接触模态分析 篇11
行星齿轮机构由于具有传动比大, 结构紧凑, 承载能力强等特点, 被广泛应用于航空、船舶、汽车、军事、机械、冶金等各个领域[1,2]。然而, 在实际应用中, 因为噪声和振动较大制约了其进一步推广[3]。因此, 设计、制造小振动和低噪声的行星齿轮减速器一直以来都是工程界关注的焦点。随着计算机技术与数值计算的发展, 有限元分析为行星齿轮减速器的设计提供了有效的途径。利用有限元分析技术, 可以改变以往传统设计中产品设计制造成功之后才根据测试结果反复进行改进与优化, 消耗大量人力物力的模式。而且能减少昂贵的物理样机数量, 提高产品设计质量和工作效率, 缩短产品开发周期, 对促进行星齿轮减速器的现代化设计具有重要意义。
模态分析技术作为了解产品动态特性的有效方法被广泛应用于工程实际之中。然而, 在用模态分析方法对齿轮系统进行计算时, 齿轮之间的啮合问题一直以来都没有得到很好的解决, 一般的研究只针对单个齿轮进行, 这样显然忽略了齿轮的啮合特性[4,5]。而应用接触单元对齿轮接触区进行有限元划分能很好地解决这一问题。本文通过定义齿轮副之间的接触建立了行星齿轮减速器的有限元分析模型, 并分别计算了行星齿轮减速器自由状态和约束状态下的振动模态特性, 从而为行星齿轮的设计、生产以及优化提供了有益的参考。
1 有限元模型的建立
要正确地解释分析结果, 建立一个好的结构模型是十分重要的, 这个模型不必是结构的精确表示, 但必须是一个准确的形象化的模型。因此, 在进行建模时, 充分应用现有商业软件的优势, 取长补短, 以最快的速度和尽可能高的质量建立了系统的有限元模型。
1.1 几何实体建模
行星齿轮系统几何实体模型的建立是在I-DEAS软件中完成的。目前, 进行齿轮建模的文章很多, 基本方法类似, 即首先根据渐开线方程生成渐开齿轮截面曲线, 然后完成整个齿轮端面的绘制并拉伸即可。作者建立的参数化齿轮模型, 只须在I-DEAS中输入一些关键参数 (如模数、齿数、压力角、螺旋角、变位系数等齿轮基木参数和轴孔半径、辐板厚度、轮缘厚度等结构参数) , 根据这此参数就可以自动生成齿轮, 节省了大量时间。其余部件, 如行星架、输入轴和输出轴等应用软件中的相应命令逐一完成, 从而得到行星齿轮减速器几何实体模型, 如图1所示。
1.2 有限元分析模型
本文使用HYPERMESH软件对行星齿轮系统进行前处理, 建立行星齿轮系统的有限元模型。首先将I-DEAS中生成的行星齿轮系统的精确模型导出为Parasolid格式数据文件, 然后使用Import命令将parasolid格式的CAD模型文件导人HYPERMESH软件中对其进行网格划分。划分网格是建立有限元模型时非常重要的一个步骤, 分析软件划分网格的能力和质量直接关系到分析结果的正确性和准确性, HYPERMESH具有良好的网格划分能力, 能够完成各种复杂几何的划分。对行星齿轮系统采用六面体实体单元进行有限元网格划分, 具体实施, 采用先在各端面划分四边形单元, 然后采用拉伸功能, 从而得到各部分的有限元模型。有限元模型如图2所示, 共有70466个单元, 85922个节点, 能够保证模态分析要求的精度。
有限元网格划分完成后, 必须对整个网格模型进行检查, 从而保证计算结果的真实性 。首先检查自由单元边。当单元的某一边不在其它单元之内时, 称为自由单元边。在复杂模型的建立过程中, 通过拉伸、旋转等操作产生的各个部件, 有时会没有连接在一起, 这将导致有限元模型开裂, 影响计算结果, 严重时将使计算失败。其次检查重复单元, 重复节点。分网时由于模型或操作不准确, 可能会在同一个位置出现重复的节点单元, 查出这些节点单元, 根据情况决定是否将它们合并在一起。合并重复节点也是缝合模型不同组件的一种有效手段。最后检查单元的形状参数, 过度扭曲的单元将影响计算, 必须进行检查, 并将其修改为可以接受的形状。
2 接触模拟
接触问题属于带约束条件的泛函极值问题, 本文采用基于求解器的直接约束法。用直接约束法解决接触问题是追踪物体的运动轨迹, 当发生接触时, 便将接触约束作为边界条件直接施加在产生接触的节点上。
用CONTA173接触单元和TARGE 170目标单元形成面-面接触单元, 用来模拟齿面间的接触。CONTA173接触单元和TARGE 170目标单元一起形成了“接触对”, 每一“接触对”用同一实常数来定义。
2.1 CONTA173接触单元特性
CONTA173接触单元有四个节点, 每个节点有三个自由度, 即X, Y和Z方向的位移, 单元结构如图3所示。它附着在没有中间节点的三维体单元上, 与所依附的体单元有相同的性质。将联接两对边中点的直线作为轴和轴, 以它们的交点作为坐标原点, 构成局部坐标系, 如图4所示。
平面单元内任意一点的位移为
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式中:undefined;undefined;
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平面单元内任意一点的应变为
ξ=Bδe= (BIBjBKBL) δe
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2.2 TARGE170目标单元特性
TARGE 170目标单元是三节点单元, 每个节点有三个自由度, 即X, Y和Z方向的位移, 单元结构如图5所示。它与接触单元CONTA173组成一个接触对。三角形单元的整体坐标系见图6。
单元内任意一点的位移为
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平面单元内任意一点的应变为
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式中,
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3 模态分析及计算结果
在结构动力学中, 振动系统的特性可以用模态来描述。表征模态的特征参数是振动系统的各阶固有频率、固有振型 (主振型) 、模态质量、模态刚度和模态阻尼等。模态分析技术就是通过对结构的计算和分析, 了解产品的动态特性和获取系统的特征参数。
3.1 自由状态下接触模态分析
已知齿轮体及行星轮架均为钢材, 弹性模量2.1×1011N/m2, 密度7800kg/m3, 泊松比0.3。对于振动系统来讲, 其低阶固有频率对系统的振动特性影响较大, 因此, 我们主要关心计算得到的低阶频率与振型情况。将上述基本参数赋予有限元模型, 选择Lanczos法计算齿轮自由振动前20阶模态频率及振型。表1列出了去掉刚体模态后系统的第1—10阶自由振动固有频率, 限于篇幅, 自由振动模态振型图略。
3.2 约束条件下接触模态分析
在ANSYS中将内齿圈部分约束见图7, 齿轮啮合部分应用接触单元, 设置接触体后进行计算。去掉刚体模态后系统的第1—10阶约束振动固有频率计算结果列于表1中, 限于篇幅, 约束振动模态振型图略。
计算结果表明, 行星齿轮减速器的振动频率在1、2阶时变化不大, 第三阶迅速增加。因此, 在实际应用中, 应该首先考虑避免系统激振频率与1、2阶频率相同。另外, 在实际中, 行星齿轮处于约束状态, 并且内齿圈外边缘牢固约束, 所以实际振动频率大于计算值。在设计过程中应该考虑到这点, 如果能将计算值与试验结合起来, 将会对工业设计更加有指导意义。从上述计算结果可以看出, 不同振动频率下, 系统的振型有明显差别。可以根据计算结果了解系统在运转条件下处于何种振动模式, 从而指导行星齿轮系统设计。
4 结束语
应用I-DEAS软件对某行星齿轮减速器进行了三维实体造型, 将模型以Prosolid格式输出, 并导入到HypeMesh软件中进行网格分。由于此种方法综合了各软件的优势, 因此, 有限元造型快速, 便捷。应用ANSYS软件对其进行了三维非线性有限元模态分析, 研究了自由状态和约束条件下行星齿轮的动态特性, 得到了系统的模态频率和振型, 其计算结果对工程实际具有重要的参考价值和指导意义。
参考文献
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