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正文

简述机械结构设计中抗磨损的改造方案

摘要: 不论任何机械,在运转的过程中机械结构磨损问题,同时也是比较常见的问题。这类问题通常集中在齿轮传动磨损和链条传统磨损两大方面,磨损问题会使机械设备在运转中出现性能危害、安全危害,同时会对生产质量、效率造成影响。本文围绕机械结构中比较常见磨损做出分析,并重点介绍齿轮传动磨的改造方案,并以H 钢铁集团125 t 吊车中的开始齿轮为实例,阐述抗磨损改造方案。
关键词: 机械结构;抗磨损设计;改造方案
       当前,在我国的国民生产中,机械自动化的生产方式已经受到广泛应用,多数生产企业都依赖于机械设备进行加工制造,而在生产的过程中,机械磨损一直是多数企业比较关注的问题,作为机械核心部分的传动机构,负责为机械各机构传输动能,为机械提供运转能力,传动机构的磨损过度,是机械构造抗磨损改造的重点内容, 它直接影响着机械设备结构的性能,更关乎着制造企业的生产效率,生产成本以及产品品质等多项指标。
1. 传动机构磨损带来的危害
    当前我国生产性加工企业,已随着经济化发展进行制造模式的彻底改革,将大量的机器设备引入,负责产品的辅助加工,自动化的生产,带动了生产企业的经营效益。同时,现有生产企业已经逐渐高度依赖机械设备生产加工,进而导致机械结构出现各种磨损情况,在这其中,传动磨损对机械本身、企业生产所带来的危害最为严重。
1.1 性能危害
       机械设备的传动机构,由多个传动配件进行组成,作为机械结构中的重要核心部分,其承担着动力传输,动力调节的工作。传动机构一旦磨损量加大,会直接使传动机械的运转性能降低,失去对动力的调控性能,进而使机械设备无法按照指令完成相应作业。例如,在机械设备的齿轮传动结构里,齿轮的大小、尺寸因运转中高温磨损发生变化,导致齿轮之间的配合失去紧密度,形成齿距的误差偏大问题,将对机械设备的运行效率带来不良影响。
1.2 生产危害
       机械设备是当前大多数生产企业主要依赖的生产工具。当机械设备的传动结构发生磨损事故,则会对机械其部件的加工制造流程造成严重影响,其主要体现方面为以下几点:
1.2.1 机械故障
       当机械设备的传动结构磨损量超出了标准范围,会使设备的故障发生概率提高,破坏制造企业生产的持续性。
1.2.2 生产效率
       传动机构磨损会造成机械无法正常按指令进行加工,进而影响产品加工效率加工质量,直接造成产量降低,产品返工处理次数增多,企业生产效率降低。
1.3 安全危害
      机械设备零配件磨损超出标准范围,容易引起机械零部件瞬间性脆裂现象,使机械在运转途中发生突发性故障,将机械内部机构动力传输秩序扰乱。例如设机械备中的链传动,链传动是以链条来带动齿轮进行运转,当链条和齿轮发生过度磨损,会降低二者之间配合的紧密型,最终导致金属链条断裂,引起机械设备突发性故障。另外,若机械设备正处于高速运转途中,金属链条断裂飞出,对机械设备的其他零部件,甚至是操作人员的人身安全都会造成巨大安全隐患[1]。
2. 机械结构中的齿轮传动改造
    齿轮传动,指齿轮与齿轮之间相互啮合作业,进行动力传动的一种机械传动,是机械设备中较为典型的传动机构,通常情况下齿轮传动是由两个或多个大小不一的齿轮组合而成,并依据比例对齿轮的齿槽、断面、齿顶圆、齿根、端面以及法面进行设计,图 1 为两个齿轮组成的齿轮传动机构。
齿轮传动机构_论文发表





图 1 齿轮传动机构
       为了更加深入解析如何通过改造方案使齿轮磨损有效减少,本文以武汉 H 钢铁集团第二炼钢炉使用的 125 t 吊车主卷提升机中的开式齿轮为例,深入分析齿轮的改造方案。
       H 钢铁集团第二炼钢炉所使用的 t125 吊车,其主卷提升机中的开式齿轮,根据统计其使用寿命普遍仅为 5 个月以内,情况严重时仅 3 个月时间,齿轮的齿厚磨损度就达到报废标准,同时,机构中的大型开式齿轮使用寿命也普遍未超过 1 年,导致 H 钢铁集团对125 t 吊车频繁更换齿轮,耗费大量的维修成本。针对这一问题,H 钢铁集团先后采用了齿轮面渗氮提高、自动输送润滑油等方案,其效果都不理想。随后的多年时间里,H 钢铁集团始终针对该项问题与国内机械研究所进行联合研究,最终采用了如下改造方案:
2.1 选材及热处理
       经过研究,含碳量、合金的成分,对齿轮耐磨会起到很大影响, 在想通硬度热处理条件下,含碳量会有效促进材料的耐磨性增加, 同时合金中 Cr 和 Mo,会与碳形成一种碳化物,对于钢材料的耐磨性会有效提高。125 t 吊车原齿轮使用的是 25SiMn 材料,而新的材料则选用 40CrMnMo、40CrNiMo 两种材料,想必 25SiMn,新材料的疲劳强度极限,冲击韧性有大幅度提高。
2.2 改善摩擦状态
       H 钢铁集团在围绕改善摩擦问题上,从三方面入手,第一方面为在保证齿轮弯曲强度前提上,将齿轮几何参数进行调整,将以往的标准齿轮调整为变为齿轮,最大限度将齿面相对滑动率减少。另一方面是将润滑剂条件进行改善,齿面采用固体润滑剂进行镀膜, 在齿轮运转阶段,采用抗磨极压润滑剂,致使齿面长时间存有物理吸附膜和化学反映膜,润滑状态始终处于良好。其次,H 钢铁集团改变了齿面的形貌,提高了齿面的光洁度、齿面精度,最大化增加齿面的接触面积,减小剪切阻力。
2.3 改造结果
       H 钢铁集团通过上述改造方案,加工了第一批齿轮并投入使用, 与之前齿轮寿命相比,这一次使用了新材料、新设计的齿轮在使用寿命上有了质的飞跃,小齿轮平均使用寿命由改造前的 3–5 个月提高至 3 年以上,大齿轮由过去的 1 年提升至平均使用寿命 5 年以上,根据详细数据统计,改造前,小齿轮 3 个月齿厚磨损为 4 毫米,改造后 3 个月磨损仅为 0.42 毫米,在使用 3 年后对小齿轮进行更换,其磨损程度仍未达到报废标准,即 5—7 毫米,每台 125 t 吊车平均每年节约维修成本近 100 万人民币,在提高生产效率同时,有效节约了生产成本。
3. 其他传动抗磨损改造设计
3.1 链传动磨损
       链传动是由链条和两轮构建组合而成,其工作原理为利用链条将链轮的运动、动力传递到从动链轮上。针对链传动的抗磨损设计, 包含了对链轮的设计和链条的设计,链传动抗磨损设计结构如图 2 所示。
链传动抗磨损设计结构图_期刊发表








图2 链传动抗磨损设计结构图
(注:1. 内链板;2. 外链板;3. 销轴;4. 套筒;5. 滚子)

       在链条转动的过程中,因链轮通常都是处于固定的状态,因此在链条的带动下,偶尔会发生位移、松动等不良问题,有时在高速运转中,会发生链条突然断裂问题。基于以上问题,对链传动的抗磨损设计、改造,要围绕以下两点入手,即①链轮齿数:小号链轮应设置多齿数,大号链轮设置少齿数,齿数选择为偶数,链条节数与链轮齿数要互为质数;②链条节数:减小链条节距,种菜条件下采用多排链条 [2]。
3.2 绳带传动磨损
       绳带传动由主动轮、从动轮、传输带组成,在高速运转中,需要面临绳带磨损问题,尤其是针对皮带,其磨损程度十分言重。针对这一问题,应结合主动、从动轮的运行要求,尽量采用高性能皮带,从而维持良好运转,同时,为减少皮带摩擦,须严格控制主动、从动轮之间的距离,图 3 为绳带传动结构示意图。
绳带传动示意图_论文发表





图 3 绳带传动示意图
4、结语
      传动结构的抗磨损设计,是对传统机械结构十分重要的改良,同时也是比较常见的机械改造项目,需要机械设计人员将机械本身的性能、特点相结合,围绕齿轮传动和链传动进行优化改造,从而有效规避因传动系统磨损而导致的安全问题、生产问题以及机械性能问题,为企业高效、安全生产做出良好保障。
参考文献
[1] 葛珊珊. 机械结构设计中抗磨损的改造方案分析与研究[J]. 消费导刊,2017(13):00075–00082.
[2] 赵双领. 探析机械结构设计中抗磨损的改造方案[J]. 大科技,2017(20):083–086.
[3] 廖锦河. 机械结构设计中抗磨损的改造方案分析[J]. 大科技,2017(21):112–115.

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简述机械结构设计中抗磨损的改造方案
摘要: 不论任何机械,在运转的过程中机械结构磨损问题,同时也是比较常见的问题。这类问题通常集中在齿轮传动磨损和链条传统磨损两大方面,磨损问题会使机械设备在运转中出现性能危害、安全危害,同时会对生产质量、效率造成影响。本文围绕机械结构中比较常见磨损做出分析,并重点介绍齿轮传动磨的改造方案,并以H 钢铁集团125 t 吊车中的开始齿轮为实例,阐述抗磨损改造方案。
关键词: 机械结构;抗磨损设计;改造方案
       当前,在我国的国民生产中,机械自动化的生产方式已经受到广泛应用,多数生产企业都依赖于机械设备进行加工制造,而在生产的过程中,机械磨损一直是多数企业比较关注的问题,作为机械核心部分的传动机构,负责为机械各机构传输动能,为机械提供运转能力,传动机构的磨损过度,是机械构造抗磨损改造的重点内容, 它直接影响着机械设备结构的性能,更关乎着制造企业的生产效率,生产成本以及产品品质等多项指标。
1. 传动机构磨损带来的危害
    当前我国生产性加工企业,已随着经济化发展进行制造模式的彻底改革,将大量的机器设备引入,负责产品的辅助加工,自动化的生产,带动了生产企业的经营效益。同时,现有生产企业已经逐渐高度依赖机械设备生产加工,进而导致机械结构出现各种磨损情况,在这其中,传动磨损对机械本身、企业生产所带来的危害最为严重。
1.1 性能危害
       机械设备的传动机构,由多个传动配件进行组成,作为机械结构中的重要核心部分,其承担着动力传输,动力调节的工作。传动机构一旦磨损量加大,会直接使传动机械的运转性能降低,失去对动力的调控性能,进而使机械设备无法按照指令完成相应作业。例如,在机械设备的齿轮传动结构里,齿轮的大小、尺寸因运转中高温磨损发生变化,导致齿轮之间的配合失去紧密度,形成齿距的误差偏大问题,将对机械设备的运行效率带来不良影响。
1.2 生产危害
       机械设备是当前大多数生产企业主要依赖的生产工具。当机械设备的传动结构发生磨损事故,则会对机械其部件的加工制造流程造成严重影响,其主要体现方面为以下几点:
1.2.1 机械故障
       当机械设备的传动结构磨损量超出了标准范围,会使设备的故障发生概率提高,破坏制造企业生产的持续性。
1.2.2 生产效率
       传动机构磨损会造成机械无法正常按指令进行加工,进而影响产品加工效率加工质量,直接造成产量降低,产品返工处理次数增多,企业生产效率降低。
1.3 安全危害
      机械设备零配件磨损超出标准范围,容易引起机械零部件瞬间性脆裂现象,使机械在运转途中发生突发性故障,将机械内部机构动力传输秩序扰乱。例如设机械备中的链传动,链传动是以链条来带动齿轮进行运转,当链条和齿轮发生过度磨损,会降低二者之间配合的紧密型,最终导致金属链条断裂,引起机械设备突发性故障。另外,若机械设备正处于高速运转途中,金属链条断裂飞出,对机械设备的其他零部件,甚至是操作人员的人身安全都会造成巨大安全隐患[1]。
2. 机械结构中的齿轮传动改造
    齿轮传动,指齿轮与齿轮之间相互啮合作业,进行动力传动的一种机械传动,是机械设备中较为典型的传动机构,通常情况下齿轮传动是由两个或多个大小不一的齿轮组合而成,并依据比例对齿轮的齿槽、断面、齿顶圆、齿根、端面以及法面进行设计,图 1 为两个齿轮组成的齿轮传动机构。
齿轮传动机构_论文发表





图 1 齿轮传动机构
       为了更加深入解析如何通过改造方案使齿轮磨损有效减少,本文以武汉 H 钢铁集团第二炼钢炉使用的 125 t 吊车主卷提升机中的开式齿轮为例,深入分析齿轮的改造方案。
       H 钢铁集团第二炼钢炉所使用的 t125 吊车,其主卷提升机中的开式齿轮,根据统计其使用寿命普遍仅为 5 个月以内,情况严重时仅 3 个月时间,齿轮的齿厚磨损度就达到报废标准,同时,机构中的大型开式齿轮使用寿命也普遍未超过 1 年,导致 H 钢铁集团对125 t 吊车频繁更换齿轮,耗费大量的维修成本。针对这一问题,H 钢铁集团先后采用了齿轮面渗氮提高、自动输送润滑油等方案,其效果都不理想。随后的多年时间里,H 钢铁集团始终针对该项问题与国内机械研究所进行联合研究,最终采用了如下改造方案:
2.1 选材及热处理
       经过研究,含碳量、合金的成分,对齿轮耐磨会起到很大影响, 在想通硬度热处理条件下,含碳量会有效促进材料的耐磨性增加, 同时合金中 Cr 和 Mo,会与碳形成一种碳化物,对于钢材料的耐磨性会有效提高。125 t 吊车原齿轮使用的是 25SiMn 材料,而新的材料则选用 40CrMnMo、40CrNiMo 两种材料,想必 25SiMn,新材料的疲劳强度极限,冲击韧性有大幅度提高。
2.2 改善摩擦状态
       H 钢铁集团在围绕改善摩擦问题上,从三方面入手,第一方面为在保证齿轮弯曲强度前提上,将齿轮几何参数进行调整,将以往的标准齿轮调整为变为齿轮,最大限度将齿面相对滑动率减少。另一方面是将润滑剂条件进行改善,齿面采用固体润滑剂进行镀膜, 在齿轮运转阶段,采用抗磨极压润滑剂,致使齿面长时间存有物理吸附膜和化学反映膜,润滑状态始终处于良好。其次,H 钢铁集团改变了齿面的形貌,提高了齿面的光洁度、齿面精度,最大化增加齿面的接触面积,减小剪切阻力。
2.3 改造结果
       H 钢铁集团通过上述改造方案,加工了第一批齿轮并投入使用, 与之前齿轮寿命相比,这一次使用了新材料、新设计的齿轮在使用寿命上有了质的飞跃,小齿轮平均使用寿命由改造前的 3–5 个月提高至 3 年以上,大齿轮由过去的 1 年提升至平均使用寿命 5 年以上,根据详细数据统计,改造前,小齿轮 3 个月齿厚磨损为 4 毫米,改造后 3 个月磨损仅为 0.42 毫米,在使用 3 年后对小齿轮进行更换,其磨损程度仍未达到报废标准,即 5—7 毫米,每台 125 t 吊车平均每年节约维修成本近 100 万人民币,在提高生产效率同时,有效节约了生产成本。
3. 其他传动抗磨损改造设计
3.1 链传动磨损
       链传动是由链条和两轮构建组合而成,其工作原理为利用链条将链轮的运动、动力传递到从动链轮上。针对链传动的抗磨损设计, 包含了对链轮的设计和链条的设计,链传动抗磨损设计结构如图 2 所示。
链传动抗磨损设计结构图_期刊发表








图2 链传动抗磨损设计结构图
(注:1. 内链板;2. 外链板;3. 销轴;4. 套筒;5. 滚子)

       在链条转动的过程中,因链轮通常都是处于固定的状态,因此在链条的带动下,偶尔会发生位移、松动等不良问题,有时在高速运转中,会发生链条突然断裂问题。基于以上问题,对链传动的抗磨损设计、改造,要围绕以下两点入手,即①链轮齿数:小号链轮应设置多齿数,大号链轮设置少齿数,齿数选择为偶数,链条节数与链轮齿数要互为质数;②链条节数:减小链条节距,种菜条件下采用多排链条 [2]。
3.2 绳带传动磨损
       绳带传动由主动轮、从动轮、传输带组成,在高速运转中,需要面临绳带磨损问题,尤其是针对皮带,其磨损程度十分言重。针对这一问题,应结合主动、从动轮的运行要求,尽量采用高性能皮带,从而维持良好运转,同时,为减少皮带摩擦,须严格控制主动、从动轮之间的距离,图 3 为绳带传动结构示意图。
绳带传动示意图_论文发表





图 3 绳带传动示意图
4、结语
      传动结构的抗磨损设计,是对传统机械结构十分重要的改良,同时也是比较常见的机械改造项目,需要机械设计人员将机械本身的性能、特点相结合,围绕齿轮传动和链传动进行优化改造,从而有效规避因传动系统磨损而导致的安全问题、生产问题以及机械性能问题,为企业高效、安全生产做出良好保障。
参考文献
[1] 葛珊珊. 机械结构设计中抗磨损的改造方案分析与研究[J]. 消费导刊,2017(13):00075–00082.
[2] 赵双领. 探析机械结构设计中抗磨损的改造方案[J]. 大科技,2017(20):083–086.
[3] 廖锦河. 机械结构设计中抗磨损的改造方案分析[J]. 大科技,2017(21):112–115.