三车翻车机传动系统低速重载齿轮性能影响因子探究2005-1453.doc

1 三车翻车机传动系统低速重载齿轮性能影响因子探究 燕山大学 秦皇岛 066004 金贺荣 郑德忠 摘 要 本文针对三车翻车机低速重载传动系统由于载荷大 冲击重 转速低 工作环境恶劣 常 发生断齿现象的工作特点 经过对其影响性能因子进行分析和探讨 提出了改善翻车机开式齿轮传动性 能的思路和方法 关键词 三车翻车机 齿轮传动 低速重载 Research into Influencing Factors of Low speed and Heavy carried Gear for Triple Car Dumper Drives Yanshan University Qinhuangdao 066004 Jin Herong Zheng Dezhong Abstract In this paper through analyzing to gear of low speed and heavy carried for triple car dumper several factors to affect life of gear and several method to raise life of gear is discussed Key words Triple car dumper Gear transmission Low speed and heavy carried 1 引言 O型三车翻车机作为码头卸煤的关键设备 其翻卸平台全长36m 两端环间距24m 端环 外缘直径9 8m 每端环外缘的环轨均支撑在两组托轮之上 如图1所示 采用双电机动力输 入 分别经减速器减速 利用减速器输出轴侧开式齿轮与转子两端端环外缘上的驱动齿圈的 啮合使转子转动 实现物料的翻卸 齿轮是整套机械传动系统中的关键部件 受材质 加工 精度 热处理工艺 几何参数 工况等因素的影响 齿轮会发生如断齿 点蚀剥落 胶合 磨损和齿面塑性变形等失效形式 针对这类齿轮由于载荷大 冲击重 转速低 工作环境 恶劣 常发生断齿现象的工作特点 本文对影响三车翻车机传动系统低速重载齿轮性能的因 子进行分析和探讨 并提出改善翻车机开式齿轮传动性能的思路和方法 图1 三车翻车机工作图 1 火车车厢 2 翻车机转子主体 3 托轮 4 减速器输出轴侧开式齿轮 5 端环环轨 6 驱动齿圈 2 轮齿折断机理 2 断齿不像齿轮齿面失效有一个比较缓慢的发展过程 而是在断齿以前常常不易及时发 现 翻车机工作时载荷变动频繁 齿轮最常见的折断是疲劳折断 在外载荷作用下 齿轮 材料内部晶粒由于空间的取向不同而使其变形具有不均一性 导致晶体点阵的畸变 使晶 粒滑移的阻力增加 产生了形变 强化 同时在晶粒中存在的个别缺陷部分出现有裂口的 滑移 此处的晶粒滑移力是减小的 称之为 弱化 1 变形过程中 最弱晶粒的最弱部 分会首先出现滑移而得到强化 经多次反向塑性变形后 塑性耗尽 在交变应力的继续作 用下 开始松动而弱化 产生局部的微观裂纹 当应力高于疲劳极限且应力循环次数又超 过一定数值 微裂纹就会扩展生长 不同晶粒的微裂纹开始相互衔接 成为贯穿许多晶粒 的宏观疲劳裂缝 在裂缝处产生强烈的应力集中更促进裂缝的发展 最终达到使断面减小 到突然断裂的程度 3 影响开式齿轮传动的诸因素分析 3 1 齿轮参数对传动性能的影响 在开式齿轮传动中 滑动系数愈大 愈易发生磨损和胶合 在轮齿的不同部位 滑动 系数不同 节圆处滑动系数为零 齿顶和齿根处滑动系数最大 因此 开式齿轮传动失效 常常首先发生在齿顶和齿根部位 逐渐磨损 使齿根和齿顶变薄 以至折断 为此 我们 在设计开式齿轮传动时 应减小齿顶和齿根的滑动系数 以提高抗磨损和齿根抗折断能力 齿轮的基节和齿形误差使齿轮传动产生很大的动载荷 冲击振动和噪声 直接影响齿 轮传动平稳性 降低了齿轮承载能力 齿轮试验表明 齿轮精度由8级提高到6级 动载荷 系数可由1 4降到1 2 2 3 2 中心距变化对传动性能的影响 由于减速器输出轴侧小齿轮与主传动减速机固定安装在基座上 小齿轮受双轴承的支 承可平稳地运转 驱动齿圈是通过螺栓与端环联接 由于端环和驱动齿圈的各种变形 特 别是转子的弯曲变形 进一步加剧了大小齿轮中心距的变化 对于开式齿轮传动 中心距 的增大 会使两渐开线齿廓的实际啮合线减短 重迭系数减少 从而影响齿轮传动的连续 性 这对低速重载齿轮传动尤其不相适应 解决的办法是适当增加齿轮侧隙 3 齿轮副侧隙补偿齿轮的安装与制造误差 使得两齿廓非工作面之间有足够的空间 不 仅可以补偿齿轮因工作温度上升而产生的热变形 并且还可补偿因安装 制造误差所形成 的侧隙减少量 保证齿轮副正常啮合传动 补偿安装及制造误差的侧隙值为 222 21 cos sin cos 2sin2 nynxnpbpbnan ffFfffJ 式中 中心距极限偏差的绝对值 a fm 法向压力角 n 两齿轮基节极限偏差 2 1pbpb ffm 齿向公差 Fm x方向轴线的平行度公差 x fm y方向轴线的平行度公差 y fm 3 3 齿轮间轴向滑动对传动性能的影响 工作状态下 由于托辊工作面的磨损 驱动齿圈亦随着转子在转动过程中产生轴向位 移 大小齿轮间产生轴向滑动 使齿轮沿齿宽啮合不均匀而产生载荷集中 造成齿根的弯 矩和应力急剧增加 齿顶修缘可纠正齿顶啮合而发生的载荷集中 避免齿顶过载 减小冲 3 击振动和噪声 齿向修形可纠正由齿向误差 齿轮受载产生的弯曲和扭转弹性变形而引起 的沿齿宽载荷不均匀 减少载荷集中 避免偏载损伤 3 4 齿轮材质及加工工艺对传动性能的影响 齿面点蚀 剥落 掉块的主要原因是接触强度不够 硬齿面齿轮主要是弯曲疲劳失效 弯曲疲劳断齿基本上是从受拉侧齿根30 切线外开始 扩展至全齿断裂 有些材料的热处理性能不稳定 齿根有脱碳和晶界氧化 如20CrMnMo 这对于低速重载 齿轮比较危险 很容易产生断齿 因此 在选择材料方面应考虑选择机械强度高 热处理性 能好的材料 在设计制造中 选用了渗碳钢20Cr2Ni4 实践证明 这种材料与 20CrMnTi 20CrMnMo等相比不仅具有很好的机械性能 还具有良好的热处理稳定性 同时 渗碳层的厚度严重影响轮齿的弯曲强度 渗碳淬火齿面能产生残余压应力 这对提高齿轮的 弯曲疲劳强度十分有利 残余压应力的产生是由于渗碳后轮齿表层的含碳量较高而里层的含 碳量较低 在淬火过程中 马氏体的开始转变温度随含碳量的不同而不同 这样轮齿由表及 里的各层次间组织转变顺序的不同产生了残余压应力 表面脱碳会影响到齿面的显微组织 因而会影响到残余应力 对于较重要的齿轮可采用真空炉渗碳淬火的热处理工艺 低档的渗 碳钢齿轮 渗碳后直接淬火 不存在二次加热保温淬火的过程 脱碳现象明显减小 对于渗碳齿轮 钢中残余奥氏体含量越多 利用硬喷丸强化使残余奥氏体转变成马氏体 的量越多 马氏体的微观亚结构被细化 相变膨胀量愈大 同时 位错密度增加 亚晶界更 细化 品格畸变加剧 由此产生的残余压应力及硬度的提高幅度愈大 疲劳寿命相应提高 对喷丸后的齿轮进行时效处理 可使其强度进一步提高 对于20CrMnTi材料的齿轮 喷丸前 的组织为高碳马氏体 细粒状碳化物 较多的残余奥氏体 而喷丸后则生成了更多更细的片状 马氏体 碳化物的数量也增多 残余奥氏体明显减少 再经低温时效处理 从马氏体及奥氏 体中析出细小的合金碳化物 另外 经低温回火能有效的松驰喷丸后产生的高应力场 防止 此应力造成疲劳裂纹的萌生 相应地提高了齿轮的疲劳寿命 4 结论 当工作设备上的齿轮发生失效事故时 对其进行科学而周密的观察和测量 不仅可以 找出改进齿轮传动工作性能的措施 还可以给齿轮传动的研究 设计 制造和维护等方面 提供宝贵资料 综上所述 尽管翻车机末端齿轮的转速较低 但由于上述各种因素的影响 使其并未能在一个良好的工作状态下运转 往往运转寿命较短 成为制约翻车机卸煤能力 及运转率的一个重要环节 这就给翻车机传动系统的设计及安装调整提出了新的课题 参考文献 1 齿轮手册编委会 齿轮手册 北京 机械工业出版社 200