重载齿轮的结构设计与热处理分析

发布者: 发布时间:2017/4/13 10:45:58 阅读:次 【字体:

  重载齿轮主要指为矿山、冶金、建材、石油、化工、电站、锻压、起重运输机械等主机配套的齿轮和通用减速器中的齿轮。我厂为国内主要石油机械生产厂家,其中重载齿轮是我厂石油机械主机中重要的机械传动件之一,就我厂重载齿轮的设计结构、制造工艺阐述一下我们的做法,经以供大家参考。

重载齿轮的结构设计与热处理分析

  重载齿轮的结构类型与齿面热处理方式

  谈到重载齿轮,我们知道根据结构不同可分为铸造齿轮、焊接齿轮以及镶圈式。而焊接齿轮按结构又可分为单辐板和双辐板结构,按焊接工艺又有有堆焊过渡层和无堆焊过渡层之分。

  从国内外重载齿轮的应用看,经历了由软齿面向渗碳硬齿面的发展过程。一般经历了三个阶段:大、小齿轮均调质;小齿轮渗碳淬火,大齿轮调质;大、小齿轮均采用渗碳淬火并磨齿,提高了精度,承载能力也大大提高,相应还带来齿轮箱结构紧凑、体积小、节约钢材、减小设备规格及占地面积小等一系列优点(注:大、小齿轮硬齿轮也可以通过激发表面淬火或中频感受应淬火或渗氮处理等方式)。

  齿轮齿面材料根据热处理的不同,可选为低碳合金钢,如20CrMnTi等;或选中碳合金钢,如42CrMo等材料。

  重载齿轮结构设计的关键因素

  具体到齿轮的结构设计,主要还是要看齿轮的设计强度和各个单位的工艺加工能力来确定,一般要综合下列因素来设计:

  (1)从强度来看,铸造结构<焊接齿轮和镶圈式的;单辐板<双辐板结构;大、小齿轮均调质<小齿轮渗碳淬火,大齿轮调质<大、小齿轮均采用渗碳淬火并磨齿。

  (2)从加工流程复杂程度上看:铸造结构<镶圈式<焊接齿轮;大、小齿轮均调质<小齿轮渗碳淬火,大齿轮调质<大、小齿轮均采用渗碳淬火并磨齿。

  (3)从齿轮寿命上看与从强度上看的结果类似:铸造结构<焊接齿轮和镶圈式的;单辐板<双辐板结构;大、小齿轮均调质<小齿轮渗碳淬火,大齿轮调质<大、小齿轮均采用渗碳淬火并磨齿。

  (4)当然齿轮设计还要综合考虑齿轮的加工成本,加工工艺的成熟度以及工厂本身的工艺水平。如果你们工厂本身铸造能力很强,铸件质量很好,而焊接能力一般,就不一定非要选焊接齿轮了。我就碰到一个单位,他们设计人员设计时,就选择了焊接式结构,可他们工厂的焊接工艺水平一般,焊缝经探伤检测,总是存在缺陷,齿轮加工达不到设计质量,最后他们又改成镶圈式结构。他们工厂机械加工能力强,镶圈式结构刚好可以发挥他们机加工的优势,很好的完成了齿轮的加工。

  举例说明

  我们单位有一对齿轮副m=8,Z1=18、Z2=130。

  (1)齿轮的结构设计

  在最初设计时,综合考虑,大齿轮设计成镶圈式的,很快就将齿轮按精度加工完成,可是在齿轮箱装配后装在配套设备上时,发现新问题,齿轮箱超重了。最后设计人员将减重的目标放在齿轮上,采用镶圈式结构的齿轮一般会比焊接式齿轮(单辐板式)重10%以上,设计人员就将齿轮结构改为焊接式的,来解决齿轮箱超重的问题,经最终验证,改后整个齿轮箱体满足了的重量要求。

  (2)齿轮齿面的热处理选择

  还有就是齿轮齿面的热处理要求:在2002年之前,由于我们国内齿轮的磨削,特别是大齿轮(D>1000mm)以上的能力不足,能磨削大齿轮的厂家较少,同时,具备能力的厂家都是大型企业,一般他们不接小批量的磨削加工,同时也存在,由于他们任务多,加工设备少,我们外协去磨削齿轮时,加工周期较长。

  在当时,我们就是受大齿轮的齿面磨削的限制,就采用了大齿轮齿面激光淬火或渗氮淬火等热处理工艺,来提高大齿轮齿面的表面硬度,这样齿轮最终的是由滚齿机滚齿而成,齿轮加工精度低。由于我们的齿轮的负荷重,连续工作时间长,采用了大齿轮齿面激光淬火或渗氮淬火等热处理工艺的大齿轮在运行一年后均出现了齿轮点蚀、磨损快,同时由于没有磨削加工,齿轮齿面精度较低,齿轮副的传动平稳性、温升、噪声都不是很好。最直接的反馈就是齿轮寿命低,维修、更换频繁,给我们工厂造成了很大的经济损失。

  近年来,随着我国磨齿机床越来越多的运用(国外引进和国内磨齿机床开发),秦川机床厂已生产出可磨D=2000mm的数控磨齿轮机,现在大直径的磨齿能力提升很快,磨齿的外协加工越来越多,我们现在将大齿轮的工艺调整为齿轮渗碳后磨削加工,虽然这样增加了单件的生产成本,可加工质量可靠,齿轮寿命长,调整后再也没有出现齿轮损坏的情况,节约了齿轮后期的维护成本。

  以上,是我厂近年来设计、加工重载齿轮的发展情况,大家在设计和加工重载齿轮时,要综合考虑,合理设计、可靠加工,才能达到性价比高的重载齿轮。各齿轮对比如附表所示,仅供大家参考。

  各齿轮对比表

  铸造齿轮焊接式齿轮镶圈式齿轮

  齿轮材料(主要指齿圈部份)42CrMo42CrMo20CrMnTi20CrMnTi

  齿轮热处理调质或齿面淬火齿面淬火渗碳淬火渗碳淬火

  齿轮最终加工方式滚齿磨齿磨齿磨齿

  加工工艺复杂性一般复杂复杂较复杂

  重量轻较轻较轻较重

  价格低高高较高

  寿命短一般长长

  强度低中等高高

  加工周期短长长较长

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