大连大学,120吨电机车行走齿轮的断齿分析跟强化装置设计(带CAD图）
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大 连 大 学本科毕业论文(设计)开题报告 论 文 题 目：120T电机车行走齿轮齿根强化装置设计学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 机英133 学 生 姓 名： 代小艳 指导教师（职称）： 辛士珍 2016年 12 月 28 日填毕业论文（设计）开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。一、选题依据1.论文（设计）题目及研究领域；2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值；3.目前研究的概况和发展趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题；2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；3.本论文（设计）预期取得的成果。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；2.论文（设计）进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩；4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印）。一、选题依据1.研究领域 非标准机械设计2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值 齿轮作为机械零件中重要的传动元件，以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、机床、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命，从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命。因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种1 。 齿轮在啮合过程中的表面损伤以及由于过载作用而导致的轮齿折断是齿轮传动过程中的主要失效形式。因此，研究齿轮的齿面强化具有极高的社会价值跟经济价值。根据近几年国内外在材料强化方面的研究进展及在齿轮上的应用，总结出齿轮齿面强化的方法主要有：表面渗氮和渗碳技术、热喷涂技术、激光淬火技术、喷丸强化技术及滚压强化加工技术等。3.目前研究的概况和发展趋势 齿轮是各类机械传动系统的关键部件，广泛应用于汽车，船帕、飞机、火车等的传动装置，齿轮性能的好坏直接影响养传动系统的使用寿命和运行过程中的安全系数。随着科学技术的发展，对齿轮使用性能的要求也越来越高。对于高速币载齿轮来说，要求就更高，不但要求沟轮表面要有较高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度以及较好的心部韧性，同时还要求表面其有良好的抗火软化性、较低的冷擦系数和较好的抗腐蚀性能。目前，对于高速币载齿轮，多是采川中低碳合金钢通过传统的渗碳深层氮化等技术进行表面强化处理来达到使川要求。但是，传统单一的表面强化技术已难以满足新塑高性能齿轮的使川要求。随着科技的高速发展，新兴的表面强化技术和复合农面强化技术也已在齿轮表面强化处理上得到了应用和发展，如机械能表面强化技术、高能束表面强化技术、表而镀膜技术以及各种表面复合强化技术等都已在齿轮表而强化的处理上得到 了不同程度的应用，并取得了较好的效果。随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。滚压威形技术在大约100年以前就被成功应用于螺纹零件的制造中，对于齿轮零件来说，同样人们很早就开始运用滚压成形技术对其进行加工。不同的是，齿轮轮齿部分的成形精度要求，要比螺纹牙成形严格得多。轮齿成形精度低、模具寿命短等因素制约着该技术的发展。20世纪50年代，不少学者以提高轮齿成形质量、解决实用化问题为目的，进行了齿轮的滚压成形研究。70年代出现了采用内啮台滚压成形的加工方法，最为代表的是由波兰的MarciniaI(等人创立的WPM法WPM法是用一对廓形齿轮作成形刀具，分别通过两个偏心轴使扇形滚刀作圆周运动后将轮坯齿形包络出来。WPM法为内齿成形刀具，较外齿滚刀强度好且刀具与轮坯之间周向接触弧长、相对滑动速度小，具有成形质量好、刀具寿命长的特点。随后西德的Weck等人叉采用Grob法进行了直齿轮塑性成形研究。Grob法为仿形法，沿轴向进给，需分度回转才能完成全部轮齿的加工，加工度较范成法低，但适台加工花键轴一类的长形零件。冷挤滚压成形存在成品合格率，生产效率等方面的问题。推广运用受到限制。因此，热挤滚压成形技术得到关注。日本学者成濑政南早在20世纪5哞代开始研究热挤滚压齿轮技术。与冷挤滚压不同，热挤滚压设置一对齿形滚沿横向进给，工件用高频线圈加热，成形压力明显下降且轮齿容易成形。由于影响热挤滚压齿轮质量(如精度、材料流动、成形缺陷及热处理后强度等)的因素较多，后来日本学者圃野等叉进行了热挤滚压齿轮成形条件诸多影响因素的实验研究。进入80年代，滚压成形技术研究向高品质、低成本的”净成形“加工方向发展，并运用模拟仿真技术进行试验研究齿轮的滚压成形技术经过数年发展，现已进入实用阶段。综台各类研究成果得到如下结论：（1）滚压成形技术能加工5级精度的圆柱齿轮，尤其是能解决斜齿轮挤压成形时的拨横问题且成形压力小，成形设备制造容易。（2）对于抗拉强度低的材料或小横数(1333)的齿轮，采用冷挤滚压工艺较为合适；对于抗拉强度高及模数大的齿轮，应采用热挤滚压加工。（3）冷挤滚压时，控制滚挤压力，选择滚压次数，改变回转方向可提高轮齿成形的精度。（4）热挤滚压时，所需成形压力较小且刀具轮齿与加工齿轮接触时间短，有利于刀具冷却和润滑。（5）热挤滚压轮坯的加热层厚度、每转中的滚挤压入量及圆周速度、接触面上的润滑状态等是保证成形质量的重要园素。其相互之间的关系及影响需通过实验得到明确。随着齿轮零件形状复杂化，还出现了锥形内齿轮、圆弧(包括齿向圆弧)齿轮，错齿(斜)齿轮、非圆形齿轮等特殊结构零件，这类齿轮都需要用塑性成形的方法去加工。为此，还需要对金属塑性成形技术从理论上、工艺方法上作更深研究。 随着科技的发展，人们对各种传动部件的使用要求越来越高。例如高速列车（350klrn/h）要求传动部件如齿轮，具有高疲劳强度，商弯曲强度低磨损和摩擦，以及高的承载能力例。单一的表面强化技术不易满足综合性能要求高的工件的使用要求，而将两种或多种表面强化技术进行复合处理，将显著提高工件的综合性能，满足了更加复杂的使用要求。目前的齿轮表面复合强化技术主要有：传统与传统的齿轮表面复合强化技术，传统与新型的齿轮表面复合强化技术，新型与新型的齿轮表而复合强化技术。复合滚压强化技术使齿轮表面具有较好的综合性能，可制备出性能优异的材料满足了对齿轮较高的使川要求。因此，对于齿轮农面复合强化技术的研究已引起国内外材料界的了一泛重视未来可通过对多种表面强化技术的复合及研究，使齿轮的综合性能得到极大的提高。随着复合强化技术的不断深人和设备的不断改进，相信齿轮表而复合强化技术会有一个更为广阔的前景。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题 （1）120T电机车行走齿轮强化装置的传动系统设计 （2）120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）电机车工作情况分析-确定齿轮的主要失效形式（2）电机车行走齿轮齿根强化方案的对比分析及总体方案设计（3）电机车行走齿轮齿根滚压机床强化装置的传动系统设计（4）电机车行走齿轮齿根滚压机床强化装置的结构设计.（5）强化装置的液压系统设计（6）1）强化装置的总装配图 2）主要零件图 3）撰写设计说明书一份3.本论文（设计）预期取得的成果通过学习及查阅有关资料掌握齿轮失效的主要形式以及齿轮强化的工艺方法及设备。在设计的过程中加深了对液压系统的了解并且熟悉了液压系统的简单设计，通过以上的学习能使我对齿轮齿根强化有一个更深的了解。最终提交设计说明书一份；绘制电机车行走齿轮强化装置的总装配图；主要零部件图纸。 三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；（1）调查、收集相关资料。（2）电机车行走齿轮滚压机床的传动方案分析比较（3）电机车行走齿轮滚压机床的运动及动力参数选择（4）电机车行走齿轮滚压机床的结构设计（5）通过自己的设计和现有的研究成果进行比较，最后进行总结分析。2.论文（设计）进度计划第1周：收集相关资料，准备撰写开题报告第2周：阅读整理所收集资料第3周：完成开报告初稿，交指导老师修改第4周：完成开题报告第5周：120T电机车行走齿轮齿根强化装置总体方案设计第6周：120T电机车行走齿轮断齿分析，确定齿根强化措施及方法第7周：120T电机车行走齿轮强化装置传动系统设计设计-运动参数及动力参数及算，进行中期捡查。第8周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制装配图第9周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制装配图第10周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制部分零件图第11周：撰写120T电机车行走齿轮强化装置设计说明书第12周：修改完善120T电机车行走齿轮强化装置设计说明书第13周：翻译外文资料第14周：完善所有设计内容第15周：准备答辩 四、需要阅读的参考文献1成大先.机械设计手册单行本S. 北京：化学工业出版社，20042柯建宏.机械制造技术基础课程设计M. 华中科技大学出版社3王允岭.电机车走行装置减速机螺旋锥齿轮损坏原因分析和解决J. 现代制造技术与装备,2011,05:41-42.4刘书云.采煤机行走部齿轮磨损的原因分析及预防措施J.机械管理开发,2015,10:76-80.5冯春年.矿用挖掘机行走机构驱动大齿轮断齿故障分析J.露天采矿技术,2009,03:42-44.6冯文改,许海健. 挖掘机行走大齿轮断齿失效分析J. 机械工程与自动化,2008,02:189-190.7李蕾,苏猛. 矿用电机车冲击重载齿轮的弹性结构设计及动态特性分析J. 机械设计与制造,2006,02:17-19.8娄秀清. 对电力机车牵引电机小齿轮失效的探讨J. 科技创新与应用,2014,10:86.9鄢文彬,富振成,张平生,涂铭旌,刘忠林,李吉厚. 80吨工矿电机车从动齿轮脆断失效分析及改进措施J. 西安交通大学学报,1985,04:52-60.10王佃文. 矿用电力机车走行部从动齿轮断裂事故浅析J. 甘肃科技,2011,24:79-80.11孔志营.齿轮齿面超声滚压强化技术研究D.大连理工大学,2014.娄秀清. 对电力机车牵引电机小齿轮失效的探讨J. 科技创新与应用,2014,10:86.12魏升. 采煤机行走轮齿根断裂特性分析D.煤炭科学研究总院,2014.13王兴文,张勇涛,李英,郑德福. 采煤机行走部齿轮磨损的原因分析及预防措施J. 煤矿机械,2013,03:195-196.14查伏强. 关于齿轨轮断齿原因的分析与解决方法J. 科技资讯,2015,25:83-84.15魏升,周常飞,南海云. 采煤机行走轮齿根断裂分析J. 矿山机械,2016,02:15-18.16Jesper Brauer. A general finite element model of involute gearsJ. Finite Elements in Analysis & Design . 2004 (13) 17Yi-Cheng Chen,Chung-Biau Tsay. Stress analysis of a helical gear set with localized bearing contactJ. Finite Elements in Analysis & Design . 2002 (8)18Wang, J.,Howard, I.The torsional stiffness of involute spur gears. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science . 2004附：文献综述或报告1.1选题背景 齿轮作为机械零件中重要的传动元件,以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、机床、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,在工业生产中,齿轮在各个领域的应用都有一定的精度和强度要求。齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命,从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命,因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种1 。1.2齿轮强化技术的发展现状 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。1.2.1表面渗氮和渗碳技术 表面渗氮和渗碳技术是用加热扩散的方式使氮、碳元素渗入金属材料或工件的表面从而形成表面合金层的工艺。渗氮、渗碳分别是齿轮最常用的表面强化艺,属于传统强化方法,两种工艺各具优缺点。渗氮处理的钢材均为中低碳合金结构钢,例如38CrMoAl、25Cr2MoV,材料中含有较高的镍、络元素,有利于提高齿轮的强度。经过表面渗氮加工处理的齿轮在耐磨性方面比在相同试验条件下渗碳表面的耐磨性高70%-80%;此外按相关试验标准对经渗氮或渗碳处理的齿轮进行齿轮胶合试验,实验结果表明渗碳齿轮的抗胶合能力明显低于渗氮齿轮;另外,由于渗氮处理温度低,基体无相变,所以经过渗氮处理的齿面变形比渗碳处理的齿面变形小。这种方法适用于高速重载齿轮、难加工齿轮和内齿轮的表面强化,且渗氮齿轮的模数都限制于12nmi以下。可渗碳的钢材主要是低碳钢,例如20Cr2Ni4、12Cr2Ni4、20CrNi4、18Cr2Ni4W等,齿轮齿面超声滚压强化技术研究，其含碳量在0.1%0.25%范围内,具有良好的机械力学性能,有利于提高齿轮基体的軔性和塑性,防止轮齿折断。经过表面渗氮和渗碳处理的齿轮材料表层会产生一定的残余压应力,其中经渗碳浮火后的齿面的残余压应力为415MPa、采用渗赢处理的金属表层残余压应力约为450MPa5,对齿面的力学性能起到改善作用,可有效提高齿轮的疲劳强度和寿命。另外,经过渗碳处理的齿轮具有较高的弯曲疲劳强度,当循环次数小于105时,渗氮齿轮的承载能力才为渗碳齿轮的75% ;另外利用渗碳处理的强化方法强化齿轮表面,能够有效防止齿轮表面的损伤,提高使用寿命。而渗碳可计对模数高达40mm的齿轮,适用范围较广。综上所述,齿轮的渗氣、渗碳处理属于传统强化方法,己经获得广泛的应用。然而,由于渗氮齿轮的渗氣层相对较薄,因此对于冲击载荷较大的齿轮并不适用I7;渗碳齿轮由于强化后变形较大、表面质量较低,因此在一定程度上限制了其应用范围。另外,渗氮、渗碳强化技术对齿轮的模数、材料也有一定的适用范围要求,以及两种方法的工艺周期较长,这些都在一定程度上限制了它们的应用。1.2.2喷丸强化技术 喷丸强化是一种通过产生压应力层来提高金属零件疲劳强度的机械表面加工方法,在加工过程中,球形弹丸由喷丸机获得动能后高速撞击零件表面使之产生塑性变形,形成残余压应力层,并使表面形变强化,从而提高金属的疲劳性能并延缓工件的疲劳失效,延长寿命。喷丸的主要设备是喷丸机和弹丸;喷丸机主要分为叶轮式和气动式,分别依靠高速旋转的叶轮或高压气体为弹丸提供动能;弹丸则主要根据所用的材料来分类,常用的弹丸材料有铸铁、祷钢、不绣钢、玻璃、陶瓷等。弹丸的形状一般以球形为主,其直径分布较广,在0.1/77777 2mm之间。喷丸强化工艺有很多重要的工艺参数,这些工艺参数可以分为以下三类:第一类是被处理工件的相关参数,主要包括被强化工件的材料、硬度、表面质量等;第二类是弹丸流的相关参数,主要包括弹丸的大小、形状、硬度等基本参数,以及、喷射速度、流量、喷丸时间等工艺参数;第三类是指接触碰撞相关的参数,主要包括喷丸覆盖率、弹丸的冲击角度和距离等。目前,喷丸强化工艺被广泛应用于汽车行业来提高工件的疲劳寿命和表面特性。在强化过程中,金属表面在弹丸的高速冲击作用下产生塑性变形,冲击形成的凹坑不断重叠,使表层形成均匀的硬化层和残余压应力。残余应力的大小和层深分布情况直接影响着工件的疲劳寿命5。虽然喷丸强化技术,可以获得较高的硬度和残余应力层,但是经过喷丸后的齿轮表面比较粗糖,对于精度要求较高的齿轮,一般要对其进行磨削加工,这样就增加了工艺的复杂性和成本。随着喷丸技术的不断发展和广泛应用,人们开发出了多种新型的喷丸技术,常用的喷丸强化方法主要包括高能喷丸、微粒喷丸、激光喷丸、超声喷丸和高压水射流喷丸等,每种方法各有优劣之处。高能喷丸能够细化晶粒,达到纳米量级,从而实现了材料表层的纳米化,进而实现表面的强化作用。但由于弹丸的直径较大,强化后表面光洁度较差,在精度要求较高的情况下需要后续加工。微粒喷丸是使用比普通弹丸更小、更硬的微小弹丸作为喷丸介质,这种喷丸介质一般选用超硬合金、无定形合金或高速钢制造而成,直径在0.020.2mm的范围内。这种新喷丸介质的应用对于工具钢这类硬质材料的效果是十分有效的。这种喷丸技术的优点是可以显著提高工具的表面硬度、表面粗糖度和耐磨性能,缺点是经微粒喷丸处理的工件所形成的硬化层较浅。另一方面,微粒喷丸技术所得的残余应力值虽大,但其层深较浅,在距表层0.07mm的深度处的残余应力即降至0,远小于普通喷丸7。1.2.3热喷涂技术 热喷涂技术在表面工程领域有着广泛的应用。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法,从而达到赋予基体表面特殊功能的目的9。在我国,热喷涂技术首先应用到航空航天领域。随着航空航天领域的快速发展,热喷涂技术得到很大的进步,使得过去热喷涂涂层的结合强度低、抗冲击性能差等弱点得以克服。新的热喷涂手段的应
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