硬齿面齿轮在减速机中运用研究

1 硬齿面齿轮在减速机中运用研究 刘俊海刘俊海 焦作神华重型机械制造有限公司 河南 焦作 454000 摘摘 要 要 耙斗装岩机广泛应用于巷道掘进中 具有效率高 结构简单 可靠性好 生产能力大及应用范围广等特点 耙斗装岩机用绞车是耙斗装岩机上的动力机构 能使耙 斗往复运行 迅速换向 并适应冲击负荷较大的工况 由于受力较大 因此齿轮材料的选 择十分重要 关键词 关键词 耙斗装岩机绞车 齿轮 渗碳 Hardened gear reducer in use in the study LIU Jun Hai Jiaozuo Shenhua heavy Machinery Manufacturing Co Ltd Henan Jiaozuo 454000 China Abstract P90B rock rake bucket loading machine widely used in tunneling the high efficiency simple structure good reliability large capacity and wide range of application characteristics P90B rock rake bucket fitted with a winch is a machine rake rock loader bucket power sector can run rake bucket back and forth quickly to change and adapt to the shock loading conditions Jiaotong University so the gear material selection is very important Keywords rake bucket rock loader winch gear carburizing 0问题的提出问题的提出 高碳钢具有高的硬度和良好的耐磨性能 但脆性大 冲击韧性低 而低碳钢具有优 良的塑性 韧性 但硬度不高 耐磨性能低 如通过淬火和低温回火 这两种钢在性能上 的差别更就更明显 减速机内的齿轮既要求较高的硬度和表面耐磨性 又要求心部具有良 好的韧性和塑性 因此只有通过选用心部具有良好的韧性和塑性的低碳合金钢 再通过热 处理使它具有高碳钢性能的表面高的硬度和良好的耐磨性能 本文针对耙斗装岩机绞车减 速机齿轮材料采用渗碳钢 增加齿轮的寿命进行研究 1绞车的结构和功能绞车的结构和功能 绞车如图 1 所示 主要由减速机 电机 制动器 工作滚筒 空程滚筒 辅助刹车等 部件组成 绞车上的两个卷筒可储存钢丝绳 分别操纵 电动机经减速器传动两套行星轮 系的中心轮 两卷筒以轴承支承在轴上 各与其行星齿轮传动的系杆连接在一起 每个行 星轮系的内齿圈外有带式制动闸 耙斗装岩机工作时 电动机和中心轮始终转动 而工作 滚筒和空程卷筒是否转动则视制动闸是否闸住相应的内齿圈而定 内齿圈的制动闸放松 中心轮经行星轮带动内齿圈空转 而杆系和卷筒不转动 当内齿圈被抱死时 迫使杆系和 2 卷筒转动 其转动方向和中心轮转动方向相同 若要某个卷筒卷绳时 则将相应的内齿圈 抱死 1 27 8 16 6 7 1 2 456 3 1 减速机 2 电机 3 制动器 4 工作滚筒 5 空程滚筒 6 辅助刹车 图图 1 绞车结构图绞车结构图 2 齿轮材料的选择齿轮材料的选择 2 1 减速机齿轮箱输入轴 中间轴和输出轴上各种齿轮的受力分析 减速机齿轮箱中 其输入轴承受电机轴传过来的轴向力 扭矩 中间轴上的齿轮承受 输入端传过来的力矩和输出端刹车时传过来的刹车力矩 输出轴上的齿轮承受中间轴 传过来的扭矩 同时也承受输出端刹车时带来的刹车力矩 2 2 减速机齿轮箱齿轮的常用材料及其性能分析 齿轮箱中 齿轮的常用材料为低碳合金钢 如 20CrMnTi 20CrMnMo 17CrNiMo6 等材 料 它们的力学分析见下表 热处理力学性能 淬火温度 b MPa s MPa 5 AK J 供应状 态硬度 HB钢号 试样毛 坯 尺寸 mm 第一 次 第二 次 冷 却 回火 温度 冷却 不小于不大于 20CrMnTi15880870 油 200 水 空 1080835104555217 20CrMnMo15850 油 200 水 空 1175885104555217 17CrNiMo611855815 油 180 水 空 130083073041229 齿轮材料为渗碳钢 渗碳用钢的性能要求如下 1 接受碳的能力要强 表面能吸收足够量的碳 渗速快 碳浓度梯度平缓 残余奥 氏体量适当 碳化物的块状 数量 大小和分布均匀 以保证渗层有足够的硬度 强度和 韧性 3 2 过热敏感性要小 在渗碳温度下长时间加热时 奥氏体仍能保持细晶粒 以便实 现直接淬火 并防止淬火后因马氏体晶粒粗大而使机械性能恶化 3 要有足够的淬透性 以保证心部在淬火后具有较高的屈服强度和韧性 另外 可 以采用缓和的冷却介质 使渗碳零件变形和开裂的倾向大大减少 4 钢中不允许有严重的带状组织 不允许有粗大的夹杂物和裂纹 特别是在渗碳 层表面上更应如此 3 3 齿轮零件的热处理工艺 齿轮零件的热处理工艺 减速机的齿轮 齿轮轴等的材料一般常用的为 20CrMnTi 这些齿轮在工作中受到表面 接触应力 弯曲应力及冲击负荷的强烈作用 其表面必须具有很高的硬度 耐磨性 以及 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 而心部要具有良好的塑性和韧性 20CrMnTi 齿轮加工工艺流程为 下料 锻造 正火 机加工 清洗 渗碳 淬火 回 火 喷丸 清洗 检验 包装 其热处理工艺如图所示 950 970温度 C 时间 h 200 920 气体 渗碳 正火 空冷 油冷 预冷 650 回火 图 齿轮热处理工艺 齿轮毛坯在锻造后 先进行正火处理 目的是消除锻造应力 细化晶粒 改善钢的机 械切削加工性能 保证齿形合格 正火后的硬度为 HB170 210 切削加工性能良好 齿轮的渗碳温度为 920 C 左右 渗碳层厚度为 1 2 1 8mm 渗碳时间为 7h 自渗碳温 度预冷到 860 C 840 C 直接油淬 预冷的目的是减小淬火时残留奥氏体和淬火后的变形 在预冷过程中渗碳层要析出部分碳化物 但预冷温度不能降至 830 C 以下 否则心部有铁 素体析出 预冷淬火后表层为针状马氏体 残留奥氏体 碳化物 心部组织为低碳马氏体和 允许少量铁素体 淬火后经 200 C 低温回火 2 3h 后 其表面具有高强度和足够冲击韧度 的良好配合 渗碳和回火前需清洗 回火后抛丸 30 40min 以提高其表面的疲劳强度 4 淬火是为了齿轮表面转变为马氏体组织 淬火后的低温回火 得到回火马氏体组织 降低脆性 减少内应力 可以获得高的表面硬度 耐磨性 而心部仍保持低碳 良好的塑 性和韧性 喷丸作为最后一道工序 是为了清除钢件表面的铁锈 氧化皮 降低齿轮的表 面粗糙度值 降低钢件的应力集中 在其表面形成有利的残余压应力 减少机械加工的缺 陷 提高表面对塑性变形和断裂的抵抗能力 渗碳只能改变零件表面的化学成分 使表层具有高碳钢 对碳钢而言 或高碳合金钢 对合金钢而言 的正火或退火后所得的组织和性能 因而 其硬度 耐磨 抗疲劳等性 能都很低 只有通过渗碳后的热处理 才能使表层和心部的组织和性能发生根本的变化 使它具有表层高硬度 高耐磨 而心部强而韧的性能特点 渗碳后的热处理目的归纳起来是 获得高硬度 HRC58 63 和耐磨性能高的渗层表面 消除网状渗碳体和调整残余奥氏体的数量和分布 细化晶粒 提高强度和韧性 消除内应力 稳定尺寸 4 4 硬齿面齿轮的特点及运行注意事项硬齿面齿轮的特点及运行注意事项 一 高精度硬齿面齿轮的优点 众所周知 齿轮的强度设计是从考虑润滑条件的齿面压力和齿根强度两个方面进行 的 随着技术的发展和计算机的应用 世界传动技术的发展趋于采用硬齿面 据统计 由 于硬齿面齿轮的采用大大地促进了机器的重量轻 小型化和质量性能的提高 使机器工作 速度提高了一个等级 如高速线材轧机的轧制速度从过去的 30m s 以下提高到 90 120m s 采用硬齿面齿轮传动使传动装置的体积大大地减少 可以降低制造成本 一某轧 机主减速机为例进行比较 中心距 表面积 重量 轧制速度 硬度 调质齿轮 2400 100 100 30m s HB360 硬齿面齿轮 1695 34 60 90 120m s HRC57 4 硬齿面中氮化硬齿面 由于氮化层深度很浅 不适合作低速重载齿轮传动 而且氮化 工艺本身的成本较贵 所以很少采用 表面淬火 如高 中频或火焰淬火 的淬硬层与非淬硬层过渡界面明显 硬度的分布 剃度太大 同时淬硬质量不均匀 齿根淬硬困难 易生成表面裂纹 齿面硬度较低 HRC55 左右 所以应用也逐渐减少 深层渗碳 淬火磨削的高精度硬齿面齿轮 精度高 表面硬度高 HRC58 4 齿面硬 化层均匀等多方面的优点 特别适用于低速重载齿轮传动 它表面硬度高 接触强度比调 质齿轮成倍增长 而弯曲强度比调质齿轮约增加 50 以上 所以 FALK LUS 费兰特公 司 雪铁龙 梅西安 杜朗公司等全部采用深层渗碳 淬火 磨齿齿轮 高精度硬齿面齿轮代 表了工业用齿轮传动装置的发展方向 5 5 结论结论 在多年实际使用中 硬齿面齿轮制造技术经受了严格的检验 也给我们提供了丰富的 经验 我们深信 随着我国在机械及电力 冶金方面的发展 硬齿面齿轮将在更多的工业 领域应用 为祖国的民族工业作出更大的贡献 1 钢的渗碳 主编 王万智 机械工业出版社 1985 2 金属加工 18 期 机械工业信息研究院 2011 年 3 矿山机械 李炳文 中国矿业大学出版社 2007 年 5 4 材料力学 刘鸿文 高等教育出版社 1985 年 作者简介作者简介 刘俊海 1964 河南焦作人 1985 年毕业于河南广播电视大学机械设计专 业 现为河南煤业化工集团特聘师 焦作神华重型机械制造有限公司技术中心工程师 从 事机械设计与制造方面的工作 电话 0391 3533454 13782754654 电子信箱 jzljh