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机械齿轮加工中的设计与选材的重点


1 机械齿轮加工中的设计

  煤矿机械齿轮,特别是承受重载和冲击载荷的提升和采掘运输机械齿轮,其弯曲极限应力强度增大到1200MPa,接触耐久性极限强度亦增大到1600MPa,如何在不加大外形尺寸的条件下提高其强度和寿命,需进一步进行科研技术攻关,优化设计参数。优化设计的内容包括载荷的准确计算、强度计算公式的修正、优化选材、优化齿形结构、先进的加工和处理工艺、提高表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数和装配要求等,提高标准化、系列化程度。笔者认为还可以采用以下几种比较先进的优化设计方法:①有关行业标准,采用CAD进行齿轮强度计算和齿轮结构方案的类比,选出最优的设计方案。②利用保角映射和有限元法等方法分析齿根弯曲应力,采用较大半径的齿根过渡圆角并采用凸头留磨滚刀加工外齿轮齿形,以此降低齿根弯曲应力集中,提高弯曲强度。③根据弹性力学知识分析轮齿的啮合形变,采用齿顶修缘,修缘线是采用较大压力角的渐开线;采用齿面喷丸处理等工艺来提高轮齿的接触和弯曲疲劳强度。④根据弹流润滑理论研究齿轮润滑状态后,采用极压添加剂的高粘度齿轮润滑油来改善齿轮的润滑状态。

2 机械齿轮加工中的选材

  齿轮材料的选择,要根据强度、韧性和工艺性能要求,综合考虑。结合我国实际,宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载荷的齿轮,采用以Ni-Cr和Ni-Cr-Mo合金渗碳钢为主的钢材(含Ni量2%~4%);对于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮,亦可选用无Ni的Ni-Mn钢。这些渗碳合金钢的含碳量较低,平均为0.2%以下,其中的Mo、Mn均能增加钢的淬透性(含Mn量以0.4%~0.6%为宜),Cr能增加钢的淬透性和耐磨性,Ni对提高钢的韧性特别有效。应研制、采用新型淬透性好的渗碳齿轮钢(国外称为“H”钢系列),它具有较窄范围的淬透性带,可保证齿轮变形范围小并达到要求的芯部硬度。应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢(R—H脱气钢)和电渣重熔合金钢,这种钢材的纯度高,具有较好的致密度,含氧、氮和非金属杂质极少,塑性和韧性好,减少了机械性能和各向异性。用这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相比,其接触和弯曲疲劳寿命可提高3~5倍,齿轮极限载荷可提高15%~20%。
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