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北京化工大学工程硕士学位论文 密炼机齿轮断齿现象分析和解决 摘要 论文在密炼机减速器齿轮设计制造的基础上，从典型的2 7 0 l 密炼机 减速器齿轮的设计和实际失效状况出发，分析了在齿轮设计加工制造中各 个工序可能引起密炼机减速器齿轮断齿失效的主要原因。 论文分析了密炼机减速器工作的实际工况和设计校核基础，将理论计 算与实际工况相结合，着重讨论了齿轮实际断齿失效与理论计算的差距。 论文研究分析了齿轮加工制造中几道主要工序对齿轮强度，尤其是弯 曲疲劳强度可能造成的影响。并通过取样检测分析认为，齿轮齿形加工尤 其是精滚留量工序以及最终热处理工序是引起密炼机减速器齿轮断齿失 效的主要原因。 论文根据齿轮精滚留量工序的特点和最终热处理方式的不同，分别提 出了有效的改进措施，并着手进行了实践。通过实际工况的跟踪调查确认 了改进措施的正确性，有效解决了密炼机齿轮断齿问题。 关键词：密炼机，齿轮，失效，热处理，断齿 北京化工大学工程硕士学位论文 a n a l y s i a & s e t t l e m e n t f o rg e a rb r o k e np h e n o m e n o no f i n t e r n a l m i x e r a b s t r a c t t h ea r t i c l ei so nb a s eo fg e a rd e s j g nf o ri n t e r n a lm i x e rg e a r r e d u c e r ， s t a r tw i t h d e s i g na n da c t u a l f a “u r es t a t u so fg e a ri n g e a r r e d u c e ro ft y p i c a l2 7 0 li n t e r n a lm i x e r ， a n a l y s e sm a i nc a u s eo fg e a r b r o k e na n df a i l u r ei ne a c hp r o c e s so fd e s i g na n dm a k i n g t h ea r t i c l ea n a l y s e sa c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fi n t e r n a lm i x e r g e a rr e d u c e ra n dp r o o f e a d i n g b a s eo fd e s i g n ，c o m b i n et h e o r e t i c a l a r i t h m e t i ca n da c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，m a i n l yd i s c u s sd i f f 色r e n c e b e t w e e na c t u a lg e a rb r o k e na n dt h e o r e t i c a la r i t h m e t i c t h ea r t i c l ea n a l y s e se f f 色c to fs e v e r a lm a i nm a k i n gp r o c e d u r et o g e a rs t r e n g t h ，e s p e c i a l l yp o s s i b l ee f f e c tt ob e n d i n ga n df a t i g u es t r e n g t h a f t e rs a m p l i n gd e t e c ta n de x a m i n e ，g e a rs h a p em a k i n g ，e s p e c i a l l y p r e c i s i o ng e a rh o b b i n ga l l o w a n c ep r o c e d u r ea n d6 n a lh e a tt r e a t m e n t ， w h i c ha r em a i nc a u s e so fg e a rb r o k e na n df a i l u r e 北京化工大学工程硕士学位论文 t h ea r t i c l ei s a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i co fp r e c i s i o n g e a r h o b b i n ga l l o w a n c ep r o c e d u r ea n dd i f t i e r e n t6 n a lh e a tt r e a t m e n t ，p r o v i d e e f f b c t i v ei m p r o v e dm e t h o d ，a n dc a r r yt h r o u g hp r a c t i c e t h r o u g ht r a c t i n v e s t i g a t i o no fa c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，c o n n r mt h a tt h ei m p r o v e d m e t h o di sc o r r e c t ，g e a rb r o k e np r o b l e mo fi n t e r n a lm i x e ri ss e t t l e d k e yw o r d s ：i n t e r n a lm i x e r ，g e a r f a i l u r e ，h e a tt r e a t m e n t ，g e a r b r o k e n 北京化工大学工程硕士学位论文 符号说明 齿轮中心距m m 齿宽m m 直径m m 端面内分度圆周上的名义切向力n 使用系数 弯曲强度计算的齿间载荷分配系数 弯曲强度计算的齿向载荷分配系数 接触强度计算的齿间载荷分配系数 接触强度计算的齿向载荷分配系数 动载系数 法向模数m m 转速r m i n - 1 功率k w 接触强度的计算安全系数 弯曲强度的计算安全系数 名义转矩n m 齿数比 弯曲强度计算的寿命系数 相对齿根表面状况系数 相对齿根圆角敏感系数 试验齿轮的应力修正系数 弯曲强度计算的尺寸系数 弹性系数 节点区域系数( n t 1 1 r 一) “2 润滑济系数 接触强度计算的寿命系数 粗糙度系数 齿面工作硬化系数 接触强度计算的尺寸系数 接触强度计算的螺旋角系数 接触强度计算的重合度系数 计算齿根应力基本值 试验齿轮的弯曲疲劳极限n m r 一 计算接触应力基本值n 删m _ 2 试验齿轮的接触疲劳极限n m r a o，r艮昏艮，。署。考t t 砖 他r 畸响窖埘。k取玩孙乙舀孙况致乙乙 北京化工大学 学位论文原创性声明 上 8 8 2 i ( 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 营导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 冀写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 c 奉，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 怯律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘭麓使 矽形年厂月9 日 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 课题来源、项目名称 大连橡胶塑料机械股份有限公司是始建于1 9 0 7 年的国有控股公司，主要生 产橡胶密炼、橡胶( 塑料) 压延、塑料挤出生产线以及各种开炼机、胎面复合 挤出机、轮胎定型硫化机等橡胶通用设备。其中橡胶密炼生产线属于公司的主 打产品之一，而密炼机为密炼生产线的核心设备：该设各由电机、减速器、密 炼室、上顶栓、转子、下项栓、电控等设备组成。根据密炼室容积不同分为8 0 l 密炼机、1 1 0 l 密炼机、1 6 0 l 密炼机、2 7 0 l 密炼机、3 7 0 l 密炼机等不同规格； 其中2 7 0 l 密炼机在公司销售的密炼生产线中占据着主要份额。 大连橡胶塑料机械股份有限公司自二十世纪中期开始研制开发密炼机，其 中2 7 0 l 密炼机从f 式产成使用至今已有二十余年的历史，其传递动力的核心： 减速器为自行设计制造；自1 9 8 0 年至1 9 9 7 年前，大连橡胶塑料机械股份有限 公司所生产的2 7 0 l 密炼机减速器没有发生一起因齿轮突然断裂而造成的设备 停产事故。但是，1 9 9 7 年，天津普利斯通轮胎公司订购我公司三台2 7 0 橡胶密 炼机生产线；1 9 9 8 年初，其一号线2 7 0 密炼机减速器内的速比齿轮发生断齿现 象；我公司为此紧急加工了备件：但紧接着1 9 9 8 年中旬，该公司二号线、三号 线2 7 0 密炼机减速器内齿轮相继发生断齿现象，新更换的一号线速比齿轮第二 次发生断齿。同时，在1 9 9 8 年至2 0 0 0 年问我公司生产的2 7 0 密炼机减速器在 用户使用过程中多次发生断齿现象，这与以往2 7 0 密炼机减速器的安全可靠背 道而驰。 2 7 0 l 密炼机减速器为设备动力传递的关键部件，而齿轮又是减速器中的关 键零件，齿轮的连续断裂使用户的整条密炼生产线经常处于停产状态，严重影 响了用户的生产：同时，大连橡胶塑料机械股份有限公司为满足用户随时更换 齿轮，在最短的时间内恢复生产的需要，必须在公司内为用户生产出齿轮备件， 而且齿轮备件在使用寿命内为免费提供给用户，这些都直接导致公司设备成本 的上升，影响产品利润。 随着市场机制竞争的同趋激烈，生产成本、产品质量直接关系到企业的效 益和生存，所以2 7 0 密炼机减速器的齿轮断裂问题已成为制约公司产品销售的 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 瓶颈问题，虽然公司采取了各种补救措施，也取得了一定效果，基本未影响产 品的销售问题，但随后而来的售后服务问题己严重影响了公司的产品质量形象。 因此，要从根本上解决这一问题，还需要本着科学的态度，分析和研究造成齿 轮频繁发生断裂的各种原因，充分利用现有技术手段和生产条件，抓住主要矛 盾，采取合理而有效的处理方案，达到提高产品质量，保证产品信誉的目的。 造成齿轮断裂的原因很多，并且可能交叉作用，所以论文研究需要从该齿 轮的具体生产条件出发，利用有效的分析手段，论证齿轮断裂的主要影响因素， 为齿轮的加工制造提供更加可靠的数据。 作为工程硕士论文，不仅要具有一定理论深度和科学研究价值，还应该密 切结合自身企业的生产实际需要。2 7 0 l 密炼机齿轮断裂现象已影响到公司的销 售前景，为此公司特成立了“大模数硬齿面齿轮”攻关小组，由我担任攻关小 组的负责人，负责全面分析原因。所以论文研究的课题选为： 密炼机齿轮断齿现象分析和解决 1 2 齿轮研究领域的历史、现状和发展情况 齿轮传动的应用有着悠久的历史，远在晋代所记载的鼓车中就应用了齿轮 传动，许多古老的农业机械中也可以见到齿轮传动的机构。由于生产条件的限 制，古老的齿轮多为木制，承载能力低，轮齿的形状也不能满足运动的要求， 只能应用于极低的速度。随着冶金技术的发展，出现了浇铸的金属齿轮，提高 了齿轮强度，增加了齿轮的承载能力。同时，伴随着机械制造业的发展，出现 了切削加工的金属齿轮，并且对齿轮的形状有了进一步的研究，这就大大提高 了齿轮的承载能力和运动精度，目前，齿轮已经广泛应用在了各个行业，成为 一种通用性的机械传动方式。 随着生产和科学技术的进步，齿轮f 朝着高速重载方向发展，要求齿轮具 有重量轻、体积小、噪声低、大的承载能力和高的运转速度m3 。目前， 齿轮广泛使用渐开线齿形，这种齿形已有2 0 0 多年的历史，在这期洲，渐开线 齿轮的强度计算由粗而精，由简单而复杂。早期只有弯曲强度计算，以后逐渐 出现接触强度和胶合强度计算。到目前为止国际上齿轮强度计算的方法不下数 十种，其中较有影响的齿轮强度计算方法有：国际标准化组织( i s 0 ) 计算法、 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 德国工业标准( d i n ) 计算法、美国齿轮工业协会( a g m a ) 计算法、日本齿 轮工业协会( j g m a ) 计算法、英国标准( b s ) 计算法、苏联国家标准( ro ct ) 计算法等h ”，各种齿轮强度计算的基本原理都是相同的，并且都是计算 齿面的接触应力和齿根弯曲应力6 73 。i s o 、d 烈、a g m a 等计算法还提 供了齿面胶合强度的计算方法旧。建国以来直至七十年代中期，我国齿轮强度 计算一直沿用苏联四十年代的方法，此后，随着我国参加国际标准化组织( i s o ) ， 我国参照i s o 的齿轮强度计算标准制定了渐开线圆柱齿轮承载能力计算的国家 标准( g b t 3 4 8 0 一1 9 9 7 ) 和渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算的国家标准 ( g b 厂r 6 4 1 3 1 9 8 6 ) 。 在减速器的设计中，每个参数都有个最佳化的问题，在最初的设计中，主 要依靠人工计算，计算过程繁琐易错，一旦一个数据的失误就需要从头调整计 算，设计计算强度大。而随着计算机技术的发展，各种计算方法都有了计算机 程序，极大的减少了人工计算强度；而齿轮的材料也从最初的木制到现 在的铸造、锻造不等，锻造材料由根据热处理条件的不同有了调质材料、表面 淬火材料、齿面渗碳淬火材料等多种不同形式阻”；齿轮减速器的安装形式也由 最初的开式齿轮传动发展到闭式齿轮传动”，由最初的无润滑到干油润滑、浸 油润滑、喷淋润滑等；齿轮的加工形式也分为插齿、滚齿、磨齿等，从而提高 齿轮的加工精度；而每一次改变都使齿轮向重量轻、体积小、噪声低、高承载 能力和高的运转速度更进一步m 钉。 1 3 前人在本选题研究领域中的工作成果简述 大连橡胶塑料机械股份有限公司是橡胶塑料机械的专业制造商，生产的橡 胶塑料专业产品主要有橡胶密炼、橡胶( 塑料) 压延、塑料挤出生产线以及各 种开炼机、胎面复合挤出机、轮胎定型硫化机等橡胶( 塑料) 通用设备，在这 些专业产品的设计内容中，减速器部分的设计占有很大的比重。过去，由于各 专业设计组对减速器设计资料的应用不统一，因此，不利于提高设计工作效率 和三化水平，不利于提高减速器的设计质量和使用寿命。公司在这种情况下于 八十年代初期对公司生产的橡胶塑料机械设备用减速器的实际情况进行了一次 质量普查，分析比较了公司设计人员通常选用的设计计算资料，并加以必要的 补充，为公司的减速器合理设计制造统一了依据。 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 我公司生产的密炼机减速器f 是在统一设计依据后采用苏联标准和中华人 民共和国g b t 3 4 8 0 1 9 8 3 标准相结合，确定了减速器的齿轮参数和强度校核： 同时，根据密炼机使用工况，确定了密炼机齿轮设计计算中的使用系数和安全 系数。 在橡胶塑料设备用减速器中一般采用钢制齿轮，国外较多采用的是调质齿轮 和表面硬化齿轮：在齿轮的使用应力上，通过实验确定了不同材料的齿轮许用 接触应力和许用弯曲应力值。同时，根据密炼机的使用工况，确定了采用硬齿 面齿轮设计。 在齿轮的热处理方法上根据不同的要求我公司有调质、齿面淬火两种：密炼 机齿轮一般采用齿面淬火的热处理方式，以提高齿轮的接触强度和弯曲强度。 在加工方法上，目前国际上对钢制硬齿面齿轮有刮削和磨削两种不同的加工 方法，我公司在八十年代初期至1 9 9 7 年前，根据公司的具体生产条件，基本采 用的是硬齿面刮削的加工方法。 上世纪九十年代初，公司对所生产橡胶塑料产品用减速器的齿轮实际使用状 况作了一个基本统计，共普查了减速器近1 7 0 台，听取了各用户的使用意见， 并对其中5 0 台减速器进行了现场开箱检查，实地观察和记录了齿轮的使用情况， 调查表明：我公司的渐开线齿轮减速器使用状况良好，但使用寿命根据不同的 设备差异程度较大，其中密炼机减速器用齿轮齿面使用情况较差，但使用年限 一般在1 0 年以上，主要出现的失效形式为齿面点蚀，未出现齿轮断裂现象。 在齿轮断裂问题上，公司生产的密炼机齿轮在1 9 9 4 年曾经出现一次，公司 对齿轮的状况进行了详细分析，确定其断齿原因为锻造过热造成内部缺陷，从 而引起齿轮在使用过程中不正常断裂。公司在此基础上，公司对齿轮的外锻造 提出了详细的锻造规定，同时在齿轮加工中增加了探伤检查，有效避免了锻造 过热现象的发生。 从齿轮传动节点线速度来说，密炼机减速器齿轮节点线速度一般在1 5 州s 以下，属于中低速齿轮传动，同时又由于密炼机齿轮所承受的是循环冲击载荷， 其中冲击负荷较大，在密炼机减速器齿轮设计计算中都予以了考虑。 在最初出现齿轮全面失效的情况时，公司普遍认为是由于锻造质量问题，可 以通过进一步提高锻造质量予以改善，在实际使用过程中也取得了一定的效果， 但没有最终解决问题。 当然，引起齿轮全面失效的原因很多，通过分析认为：2 7 0 密炼机齿轮失效 应主要从使用工况、锻造、热处理、加工几个方面着手，所以课题应该认真学 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 习和分析以上这些方面，充分借鉴相关研究的结论和成果，在此基础上，深入 分析和解决齿轮断齿问题。 1 4 本选题研究的主要内容和重点 本课题研究的主要内容是：针对2 7 0 l 密炼机减速器齿轮发生全面失效的这 一公司急需解决的问题，首先调查分析2 7 0 l 密炼机减速器的使用工况，分析研 究可能造成其齿轮发生全面失效的工艺参数。在详细校核2 7 0 l 密炼机减速器齿 轮的设计强度、工况、制造工艺过程的基础上，利用当前在齿轮设计制造技术 领域的基础理论，探讨造成2 7 0 l 密炼机齿轮发生全面失效的主要原因。并通过 理论和实际相结合的方法，提出适应于公司实际生产需要的技术方案，彻底解 决密炼机减速器齿轮发生全面失效的问题，以达到保证产品质量，提高销售信 誉，避免长期损失，降低销售成本，提高公司经济效益的目的。 本选题的重点是：对密炼机减速器的各种使用工况进行调查，确定齿轮强度 设计条件，校核齿轮强度；分析齿轮制造过程，找出影响齿轮寿命的各种原因， 并且在以上研究工作的基础上，通过技术和经济可行性分析，筛选出适合公司 实际生产条件的技术改造方案，彻底解决密炼机齿轮的全面失效问题。 1 5 论文研究方案 技术方案( 技术路线、技术措施) 本选题的技术路线是：减速器使用工况调查，齿轮强度校核，齿轮制造过 程分析，提出合理改造方案。 本选题的技术措施是：根据齿轮加工制造的具体生产条件，利用公司的各 种分析手段，结合实际生产情况，确定齿轮失效的主要原因，并筛选出最佳的 技术经济改造方案。 实施方案所需要的条件( 技术条件、实验条件) 本选题的技术条件是：密炼机用户使用工况调查，齿轮失效样片制作，观 察和分析设备，试片分析所必要的实验装置。 本选题的实验条件是；公司2 7 0 减速器的失效齿轮作为采样目标和研究对 象，大连橡胶塑料机械股份有限公司的质量检测中心和技术中心。 存在的主要问题和技术关键 j 匕京化工大掌工程硕士研冤生论文 本选题存在的主要问题是：能否收集到能代表密炼机减速器使用工况的数 据，采集可靠的失效齿轮样片。能否通过实验条件确定齿轮失效的正确原因， 确定技术解决方案的正确性，以及解决方案后齿轮实际使用是否达到要求的验 证。 本选题的技术关键在于：密炼机减速器使用工况的数据的代表性，失效齿 轮样片的通用性，分析结果与实际齿轮加工制造过程的吻合程度，技术改造方 案能否给企业带来经济效益。 预期能达到的目标： 本选题预期能达到的目标是：搜集到能代表密炼机使用工况的数据，提供 齿轮设计校核的正确数据，通过对密炼机齿轮制造过程的分析，找出影响齿轮 寿命的几种主要因素，提出在技术经济比较合理而切实可行的技术改造方案， 通过用户的实际使用检验技术改造方案的正确性，彻底解决密炼机齿轮断齿问 题，提高产品质量，增加公司销售信誉，给公司带来明显的经济效益。 1 6 小结 本章讨论了密炼机减速器齿轮全面失效的状况，目前齿轮研究的历史成果， 公司所面临的问题和解决问题的迫切性；提出了论文解决问题的思路，论文计 划以2 7 0 l 密炼机减速器齿轮为主要代表，进一步对这些问题进行深入讨论，规 划出具体研究路线和进度安排，以期找到解决问题的根源，彻底解决公司密炼 机减速器齿轮失效问题。 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 第二章齿轮的理论强度校核 齿轮失效研究工作的难点之一是密炼机使用工况的确定：密炼机在轮胎制 品厂橡胶密炼的核心，而且每个公司所生产的橡胶硬度不同，产量不同，其所 使用的密炼机规格、负荷情况均不同：而且由于我公司密炼机用户分布在全国 各地，各公司的密炼机现场配置不同，统计现场工况，尤其是统计所有密炼机 减速器的负荷工况有一定难度；因此，需要通过一定的市场调查，确定密炼机 使用工况。由于在公司生产的密炼机减速器齿轮中，出现齿轮失效问题最多的 是2 7 0 l 密炼机，所以在以后的齿轮校核，加工分析中以2 7 0 l 密炼机减速器作 为断齿分析的典型。 2 12 7 0 l 密炼机减速器齿轮断齿数据统计 既然以2 7 0 l 密炼机减速器作为分析对象，首先就要统计我公司制作的2 7 0 l 密炼机减速器发生断齿的台数、断齿时间、断齿齿轮位置、使用时间，现根据 统计列表如下： 表2 12 7 0 密炼机减速器齿轮断齿统计表 用户名称产品编号出厂时间发生断齿部位断齿日期 9 0 0 8 0 0 51 9 9 8 8 大齿轮2 0 0 0 4 7 厦门上e 新 9 6 0 5 0 3 01 9 9 6 5 速比齿轮 2 0 0 0 4 1 2 9 6 0 9 0 4 01 9 9 6 9 速比齿轮2 0 0 0 4 1 9 9 3 0 6 0 1 7 1 9 9 5 1 2 二级齿轮轴 1 9 9 9 1 烟台轮胎9 5 1 2 0 2 41 9 9 6 2 速比齿轮 2 0 0 0 1 9 6 0 3 0 2 61 9 9 7 7 速比齿轮 1 9 9 8 9 9 6 0 3 0 2 71 9 9 7 3 速比齿轮 1 9 9 8 7 速比齿轮 1 9 9 9 1 广州珠江轮胎速比齿轮 1 9 9 9 8 速比齿轮 2 0 0 1 3 9 9 0 6 0 6 01 9 9 9 1 1速比齿轮 2 0 0 2 5 9 6 0 5 0 3 11 9 9 6 ，5 速比齿轮 1 9 9 8 5 南京锦湖轮胎 9 6 0 5 0 3 21 9 9 6 5 迷比齿轮 1 9 9 8 ，1 速比齿轮 1 9 9 8 1 2 j 匕京化工大学工程硕士研究生论文 用户名称产品编号出厂时间发生断齿部位断齿日期 9 6 0 9 0 3 41 9 9 6 9 速比齿轮 1 9 9 8 1 2 9 6 0 9 0 3 51 9 9 69 速比齿轮 1 9 9 9 天津锦湖轮胎 9 6 0 9 0 3 71 9 9 6 9 速比齿轮 1 9 9 8 1 2 速比齿轮 2 0 0 0 5 洛阳轮胎 9 6 0 9 0 3 61 9 9 7 1 2 速比齿轮 2 0 0 1 4 神马帘子布 9 6 0 9 0 3 81 9 9 8 3 速比齿轮 2 0 0 1 3 贵州轮胎 9 7 0 4 0 4 31 9 9 7 1 l 速比齿轮 2 0 0 1 4 吉林春威 9 7 0 7 0 4 61 9 9 8 1 速比齿轮 2 0 0 0 ，5 深圳卡莱轮胎 9 7 1 0 0 5 l1 9 9 8 6 速比齿轮 2 0 0 2 4 青岛华青轮胎 9 7 1 0 0 5 41 9 9 8 6 速比齿轮 1 9 9 9 2 杭卅【中策轮胎 9 9 0 9 0 5 71 9 9 9 1 2速比齿轮2 0 0 0 1 2 辽宁轮胎 9 8 0 2 0 5 81 9 9 8 1速比齿轮 1 9 9 9 9 从以上统计数据可以看出，在所发生的齿轮断齿事故中以2 7 0 l 密炼机减速 器速比齿轮发生断齿的现象最多，其它齿轮断齿现象为个别现象，因此首先需 通过计算校核确定，在2 7 0 l 密炼机减速器中的首要薄弱环节是否为速比齿轮， 可否在实际分析中缩小分析范围。 2 22 7 0 l 密炼机减速器的齿轮分布结构及初始参数 2 7 0 l 密炼机为橡胶密炼设备，其混炼橡胶的主要完成机构是异向相对旋转 的转子，转子中心距为5 7 0 m m ，其动力提供装置为电机，减速器就是通过齿轮 传动将电机所能提供的动力转化为转子的机械动力，从而完成橡胶的密炼工作。 根据这一要求，减速器传递形式为单输入，双输出，其齿轮传动简图如图2 1 所示。 从传动简图可以看出，其输出为双出轴，根据密炼机转子的形状及炼胶要 求，双出轴传动齿轮之间有两种传动速比1 ：1 或l ：1 1 4 3 ( i 轴：i i 轴) ，因为自1 9 9 5 年起，2 7 0 l 密炼机转子速比为1 ：1 的客户群逐渐增加，这里就以速比为l ：1 的 2 7 0 l 密炼机减速器为主要研究对象进行分析。 根据橡胶硬度、质量以及在密炼室内的填充度等计算其原始转子所需扭矩 为1 1 0 0 0 0 n 州轴：同时根据客户炼胶工艺及胶料混炼时间确定其转速为4 0 转 分；根据公式：功率( p ) = 扭矩( m ) 转速( n ) 9 5 4 9 计算2 7 0 l 密炼机所需 j 匕京1 匕工大掌工程硕士研究生论文 主电机功率为：p = 1 1 0 0 0 0 2 4 0 9 5 4 9 = 9 2 1 6 ( k w ) ，考虑到功率损失及保证胶料 混炼效果，确定的2 7 0 l 密炼机主电机功率为1 0 0 0 k w 。 根据以上要求及生产成本经济性要求所确定的2 7 0 l 密炼机减速器初始设 计参数为：输入功率( p ) 1 0 0 0 k w 输入转速( n ) 1 0 0 0 r ，m i n 输出转速( n i ) 4 0 “m i n 双输出轴速比 l ：1 输入轴 2 3 齿轮校核方法 输出轴i i输出轴i 图2 1 传动系统示意图 本论文研究的课题是“密炼机齿轮断齿现象分析和解决”，而且研究的是 已投入使用的2 7 0 l 密炼机，因此可以不必进行2 7 0 密炼机减速器齿轮参数的重 新设计，在论文研究中首先需要做的是根据已知的密炼机减速器齿轮参数，校 核齿轮的接触和弯曲强度。 目前国际上计算齿轮强度的方法很多73 ，各个齿轮制造专用厂也根 据自己的实际情况采用不同的标准，我公司采取的是中华人民共和国标准 g b 厂r3 4 8 0 1 9 8 3 ( 后修订为g b 厂r 3 4 8 0 一1 9 9 7 ) 。“。该标准规定的齿轮强度计算 公式如下： 接触强度校核： s h = ( oh i i m z n oh o ) ( z l z v z r z w z x ( k a k v k h # k h 。) “2 )式( 1 - 1 ) 其中oh 。= z h z e z ；z b ( ( f ( d lb ) ) ( ( u + 1 ) u ) ) 2式( 1 2 ) j 匕京化工大学工程硕士研究生论文 f t _ 2 0 0 0 1 d式( 1 3 ) t = 9 5 4 9 p n 式( 1 。4 ) 弯曲强度校核： s f = ( of j l m y s t y n t of o ) ( y 6 陀】t y r r e 】t y x ( k a k v k fh k f 。) )式( 1 5 ) 其中of o _ ( ( f t ( b m 。) ) ( ( u + 1 ) u ) ) 1 也式( 1 6 ) 大连橡胶塑料机械股份有限公司为了减轻计算强度于2 0 0 0 年引进了郑州机 械研究所的齿轮校核计算软件，该软件是根据g b t3 4 8 0 1 9 9 7 设计的智能计算 软件，它大大减轻了设计人员的齿轮校核计算强度，在该软件的计算中给出了 大部分系数的设定值及内部计算值，设计人员只需输入齿轮的具体尺寸参数及 使用系数k a ，软件将直接给出计算结果，由于本课题研究的是已投入生产的齿 轮的强度问题，因此齿轮参数是己知的，唯一需要确定的就是使用系数k a 2 6 ”2 刀。 2 4 使用系数k 的确定 使用系数k a 是考虑由于啮合外部因素引起的动力过载影响的系数，这种过 载取决于原动机和从动机械的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态旺7 2 引。 过去，公司在确定k a 时都是通过经验按1 7 5 选取，本论文研究的是已发生的 齿轮断齿现象，因此为了使计算更加符合实际情况，需要通过调查研究确定2 7 0 l 密炼机在实际工作中的使用情况，为此，我通过调查搜集了一些2 7 0 l 密炼机的 实际工作负荷记录及功率曲线如下所示： 表2 22 7 0 l 密炼机实际工作负荷记录( 1 ) 序号条件时间( 秒) 温度( )功率( k w ) 能量动作 lo9 1 68 加料 2o 4 3 1 1 4 1压上顶栓 365 4 21 4 0 保持 4 4 24 8 75 71 升上顶栓上到位 56 04 5 63 71 加碳黑 61 1 26 7 13 43 压上顶栓 71 5 61 2 06 6 88 压上项栓到位 81 7 01 2 2 61 6 89 加油料 91 8 61 1 21 29 乐上预栓 l o 2 l o1 3 0 5 5 3 1 0 升上顶栓上到何 1 l 2 2 l1 3 9 82 5 1 1 1 压上顶栓 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 1 22 3 8 1 5 5 5 0 51 3 上顶栓浮动 1 1 32 4 21 5 9 52 8 81 3 开卸料门 1 42 4 71 6 02 81 4 保持 1 52 7 01 0 0 21 4 关卸料门 2 7 0 l 密炼机电机功率：1 0 0 0 k w 表2 32 7 0 l 密炼机实际1 ：作负荷记录( 2 ) 序号条件时间( 秒) 温度( )功率( k w ) 能量 动作 105 68 加料 206 0 85 9 压上顶栓 31 0 913 0 4 7 9 l o 压上顶栓到位 41 1 01 3 5 21 6 51 0 保持 5 1 2 5 1 3 6 5 1 5 8l l 压上顶栓 6 1 6 4 1 6 5 4 0 215 上顶栓浮动 71 6 71 6 7 52 0 i】5 开卸料门 81 7 11 6 6 93 51 5 保持 91 9 11 1 3 _ 31 315 关卸料门 2 7 0 l 密炼机电机功率：1 0 0 0 k w 图2 23 7 0 l 密炼机功率曲线剀 【u 机功率：2 5 0 0 k w j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 幽2 32 5 5 l 密烁机功率曲线幽 i 也机功率：1 0 0 0 k w 以上表2 2 、表2 3 为杭州轮胎不同生产线上2 7 0 l 密炼机在一个周期内温 度、功率、能量、动作随时间的变化规律。另外，图2 2 、图2 3 、分别为其它 公司密炼机在一个炼胶周期内的功率曲线图，通过观察可以看到，对于密炼机 其实际负荷仅为额定功率的7 0 ，对于所凋研的输入功率为1 0 0 0 k w ，输出转 速为4 0 转分的2 7 0 l 密炼机来说，其最高使用功率不大于7 0 0 k w ，但是，密炼 机每循环一周，电机功率曲线就由0 至最大值循环一次，因此，密炼机减速器 齿轮所承受的循环交变载荷，齿轮所承受的冲击负荷较大。由于以上数据是通 过较长时间的记录及观测得来的，因此，在齿轮的校核中可以按照密炼机实际 最大负荷7 0 0 k w 及严重冲击情况校核，这样即保证了齿轮校核符合实际情况， 又保证了一定的安全系数，同时根据传递原动机及工作机性能确定了k 。值为 】7 5 。 2 52 7 0 l 密炼机减速器齿轮校核 根据己知条件，利用郑州齿轮研究所软件进行齿轮强度校核计算列表如下 已知：a i - 6 8 0m 。= 8z l - 2 6z 2 = 1 4 1b = 3 0 0 a 2 = 1 0 0 0m n = 1 2z i = 3 0z 2 = 1 3 4 b = 4 4 0 a 3 = 5 7 0m n = 1 6z l = 3 5 z 2 = 3 5 b 2 4 2 0 齿轮均采用的是中碳合金钢，表面淬火工艺，齿轮精度等级为7 级 级间效率按9 9 计算，齿轮强度校核如下： j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 基本输入参数( 第一级a t ) 传递功率( k w ) p = 7 0 0 0 0 0 0 0l 小齿轮转速( 平m ) n 1 = 9 7 0 o o o o oi 大齿轮转速( r p m ) n 2 = 17 8 8 6 5 2 0 使用系数 压力角( 。) 齿顶高系数 顶隙系数 “+ 齿轮几何参数”+ k a = 1 7 5 a n = 2 0 o o h a n = 1 o o c n =2 5 轮齿类型：单斜齿轮i 传动类型：减速 小齿轮一大齿轮l 法向模数( m m ) m n = 8 o o 齿数 2 61 4 l i 净齿宽( m m ) b = 1 x 3 0 0 o 法向变位系数 o o o o0 0 0 0 j 螺旋角( 。) b a t = 1 0 7 7 9 9 分度圆直径( m m ) 2 1 1 7 3 6 1 1 4 8 2 6 4l 螺旋角( 。7 ”)b a t = 10 4 6 4 8 齿顶圆直径( i i l n l ) 2 2 7 7 3 6 51 1 6 4 2 6 4 0 i 中 心距 ( m m )a = 6 8 0 o o o 齿根圆直径( m m ) 1 9 1 7 3 61 1 2 8 2 6 4i 实际齿数比 u = 5 4 2 3 l 基圆直径( m m ) 1 9 8 5 4 61 0 7 6 7 3 4i 齿轮精度等级i q = 7 全齿高( m m ) 1 8 o 0 0 01 8 0 0 0 0l 节圆线速度( m s ) v t = 1 0 7 5 4 节圆直径( 咖) 2 1 1 7 3 6 1 1 4 8 2 6 4i 宽径比b d l = 1 x 1 4 1 7 齿顶厚( m m ) 5 9 5 4 86 6 6 8 1 端面重台度e p a = 1 7 0 8 最大滑差率 1 7 5 8 0 6 7 5 9 j 轴向重合度e p b = 1 x2 2 3 3 + + + 材料及热处理参数“+ 材料名称 热处理质量等级 热处理方式 齿面硬度( h r c ) 接触疲劳极限应力( m p a ) 弯曲疲劳极限应力( m p a ) 感应淬火 5 0 ，0 0 1 0 0 0 0 0 2 8 0 0 0 感应淬火 5 0 0 0 l o o o o o 2 8 0 0 0 j 匕京化工大掌工覆习i j - | 并竞生论丈 + 应力分析 扭矩( n m ) 小齿轮t l = 6 8 9 1 0 3 l 切 向力( n )f 产6 5 0 9 0 6 1 大齿轮t 2 = 3 7 3 7 0 5 91 径向力( n ) f r = 2 4 1 1 6 6 4 接触载荷系数( m p a ) k = 1 2 1 4l 轴向力( n ) f x = 1 2 3 9 3 0 4 临界转速比n = 2 0 l 单对齿冈4 度c p = 1 6 1 7 3 2 啮合刚度( n ：m m um ) c g = 2 4 7 5 7 7 | 接触应力 节点区域系数 z h 2 4 5 8 弹性系数 z e = 1 8 9 8 1 2 接触强度重合度系数z e p = 7 6 5 接触强度螺旋角系数zb=9 9 1 动载系数k v = 1 1 0 1 齿向载荷分布系数硒b = 1 8 0 0 齿间载荷分配系数kha_1356 撑牟撑# # 拌撑计拿# 接触压t 力( m p a ) # # 拌拌拌# # s h i ：8 4 5 4 1 小齿轮一大齿轮 接触强度寿命系数 润滑油系数 速度系数 尺寸系数 粗糙度系数 工作硬化系数 许用接触应力( m p a ) 接触强度计算安全系数 接触强度最小允许安全系数 弯曲 动载系数 齿向载荷分布系数 齿问载荷分配系数 弯曲强度螺旋角系数 z n = z l = z v = z x = z r = z w = 1 o o o o 1 0 8 6 3 1 0 0 3 4 1 o o o o 1 0 7 1 4 1o o o o “6 7 7 8 1 3 8 1 3 1 0 0 应力 k v =1 1 0 1 k f b =1 7 3 8 k f a 孑1 3 5 6 y b =9 l o 14 一嬲一薹|一一粥 1 i i 1 l j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 弯曲强度重合度系数y e p = 6 8 9 小齿轮一大齿轮 齿形系数 y f = 1 3 2 4 71 1 6 1 8 应力修正系数y s = 1 9 6 0 52 2 8 2 4 尺寸系数y x = 9 7 0 09 7 0 0 弯曲强度寿命系数y n = 1 0 0 0 01 o 0 0 0 相对齿根圆角敏感系数 y d t = 9 9 3 41 o 0 0 7 相对齿根表面状况系数y r t = 1 0 2 8 71 0 2 8 7 撑# # 群撑黼计算弯曲应力( m p a ) # 槲捍拌# # 2 9 1 0 12 9 7 1 3 许用弯曲应力( m p a ) 5 5 5 0 75 5 9 1 5 弯曲强度计算安全系数 1 9 11 8 8 弯曲强度最小允许安全系数 1 1 0 传递功率( k w ) 小齿轮转速( r p m ) 大齿轮转速( r p m ) 基本输入参数( 第二级a 2 ) ”t 齿轮几何参数一+ k a = 1 7 5 a n = 2 0 0 0 h a n = 1 0 0 c n = 2 5 轮齿类型：单斜齿轮i 传动类型：减速 小齿轮一大齿轮l 法向模数( m m ) m n _ 1 2 o o 齿数3 0 1 3 4i 净齿宽( m m ) b = l x4 4 0 o 法向变位系数 0 0 0 00 0 0 0i 螺旋角( 。) b a t = l o 2 6 3 1 分度圆直径( h 1 1 1 1 ) 3 6 5 8 5 31 6 3 4 1 4 6l 螺旋角( 。7 ”) b a r _ 1 0 一1 5 4 7 齿顶圆直径( m m ) 3 3 5 8 5 31 6 0 4 1 4 6l 中心距( m m ) a = l 0 0 0 0 0 0 0 齿根圆直径( m m ) 3 3 5 8 5 31 6 0 4 1 4 6i 实际齿数比 u = 4 4 6 6 7 基圆直径( m m ) 3 4 3 1 3 21 5 3 2 6 5 9l 齿轮精度等级i q = 7 全齿高( m m ) 2 7 0 0 2 7 o o l 节圆线速度( m s ) v t = 3 4 6 2 节圆直径( m m ) 3 6 5 8 5 31 6 3 4 1 4 6l 宽径 比b d 1 - l x l 2 0 3 齿顶厚( m m ) 9 ，0 6 5 8 9 9 6 8 8 l 端面重合度e p a = 1 7 2 5 j 匕京化工大掌工程硕士研究生论文 最大滑差率 1 3 2 0 2 6 2 4 6 l 轴向重合度e p b = l x2 0 7 9 * + + 材料及热处理参数+ ， 材料名称 热处理质量等级 热处理方式 齿面硬度( h r c ) 接触疲劳极限应力( m p a ) 弯曲疲劳极限应力( m p a ) 小齿轮一大齿轮 感应淬火 5 0 o o 1 0 0 0 0 0 2 8 0 0 0 感应淬火 5 0 o o 1 0 0 0 0 0 2 8 0 o o 十 应力分析 $ + 扭矩( n m ) 小齿轮t 1 = 3 6 9 9 5 9 i 切 向力( n ) f t - 2 0 2 2 4 4 3 0 大齿轮t 2 = 1 6 5 2 4 8l 径向力( n ) f r 27 4 8 0 7 8 3 接触载荷系数( m p a ) k = 1 5 3 8 f 轴 向力( n ) f x 23 6 6 1 9 4 8 临界转速比 n =0 7 l 单对齿刚度 c p - 1 6 3 9 1 3 啮合刚度( n m m um ) c g = 2 5 3 0 9 3l 接触 节点区域系数 弹性系数 接触强度重合度系数 接触强度螺旋角系数 动载系数 齿向载荷分布系数 齿间载荷分配系数 稃# 觯捍荐# 计算接触应力( m p a ) 撑释# 群襻# 群 接触强度寿命系数 润滑油系数 速度系数 尺寸系数 应力 z h =2 4 6 2 z e = 1 8 9 8 1 2 z e p = 7 6 1 z b =9 9 2 k v =1 0 5 0 k h b ：1 8 0 0 k h a =1 2 5 0 s h c =8 8 9 8 2 小齿轮大齿轮 z n =1 0 0 0 01 0 0 0 0 z l =1 0 8 6 3 1 0 8 6 3 z v =9 5 7 0 9 5 7 0 z x =1 0 0 0 01 0 0 0 0 j l ：京化工大掌工程硕士研究生论文 粗糙度系数z r = 1 0 8 8 01 0 8 8 0 工作硬化系数 许用接触应力( m p a ) 接触强度计算安全系数 接触强度最小允许安全系数 弯曲 动载系数 齿向载荷分布系数 齿间载荷分配系数 弯曲强度螺旋角系数 弯曲强度重合度系数 齿形系数 应力修正系数 尺寸系数 弯曲强度寿命系数 相对齿根圆角敏感系数 相对齿根表面状况系数 撑#