变齿厚齿轮的珩齿加工

中　国　工　程　机　械　学　报

CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYVol.5No.2

　Apr.2007

齿轮传动中磨损问题的研究及修复方法综述

赵丽娟,史　辉

(辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新　123000)

摘要:齿轮传动是机器传递运动和动力的一种主要形式。如何减少齿轮工作中的磨损、延长其使用寿命是工业生产中至关重要的问题.总结了齿轮磨损问题的基本类型、研究历程、研究方法以及失效齿轮的常用修复方法等.

关键词:齿轮传动;磨损;修复

中图分类号:TH132.41　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1672-5581(2007)02-0243-05

OverviewongeartransmissionwearanditsrepairZHAOLi2juan,SHIHui

(CollegeofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:Thegeartransmissionisoneofthefundamentalformsofmotionandpowertransmissions.Basedonthisnotion,itiscriticaltoreducethegearwearsoastoelongatetheservicelife.Accordingly,thegearwearcategories,researchprocessesandmethods,andnormalrepairingtechniquesarehighlighted.Keywords:geartransmission;wear;repair

　　随着科学技术的日益发展,材料与能源的节约变得越来越重要,如何减少齿轮工作中的磨损,延长其使用寿命,是工业生产中至关重要的问题[1].

磨损的成因和表现形式是非常复杂的,因此分类方法也很多[2～4].鲍威尔按照磨损机理将磨损分成

四大基本类型,即粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损.除此之外,还有一些次要的类型,如热磨损和侵蚀磨损等.磨料的产生与磨损表面有着密切的关系,因而可以从磨损表面的破坏形式把磨损分为:划伤、点蚀、剥落、胶合、腐蚀.

1　关于齿轮磨损问题的研究

1.1　磨损机理的研究与发展

为了解释磨损现象的共同本质,人们提出了各种各样的理论[5～7],如克拉盖尔斯基的疲劳磨损理论、美国麻省理工学院建立的剥层理论、磨损的能量理论等.克拉盖尔斯基的疲劳磨损理论是累积理论,它考虑接触表面粗糙度的影响,是循环变应力引起的一种破坏形式,该理论适合于疲劳磨损、磨料磨损和粘着磨损;美国麻省理工学院建立的剥层理论,以金属的错位为基础,分析亚表层金属的塑性变形与断裂行为,认为金属的磨损过程是表面下裂纹的生成使表面材料沿平行方向一层一层地剥落的过程;磨损的能量理论,认为磨损是摩擦的结果,是能量转化和消耗的过程,可用以分析磨料磨损和腐蚀磨损[8].由于影响磨损的因素多种多样[9,10],包括载荷、速度、温度、润滑剂、环境介质、表面粗糙度、材料性能等,而且因素之

作者简介:赵丽娟(1964-),女,教授,工学博士.E2mail:zzz2120@126.com

　　　244

中　国　工　程　机　械　学　报第5卷　

间又互相作用,因此这些磨损理论实际上仍存在着不足之处,尚需进一步研究.也是由于影响因素多种多样,对磨损的研究很难建立准确的数学模型,而是以实验研究为主,获得大量数据,进行经验性的探索.随着计算机技术的发展,数值仿真为摩擦学的研究提供了一种新的手段,国内外一些学者在这方面做了不少努力.但是由于影响因素的多元化,仿真模型的预测结果与实际相差较大,尚处于不成熟阶段.1.2　齿轮磨损问题的实验研究方法在齿轮磨损实验中测量磨损量和磨损状态的方法有:称重法,是测量精度较高的方法,但要有高感量的分析天平;几何尺寸或形状比较法,可以测量不同磨损程度的齿厚、公法线、基节等,用精密的齿廓监测仪测定齿形的变化,得到磨损的全貌[11～13].

在磨损造成的损失中,磨粒磨损就占了50%,因此人们对磨粒磨损非常重视.磨屑是磨粒磨损最终产物,研究磨屑的形态、尺寸及其分布对于揭示磨损的发生、发展规律有重要意义.岳钟英等人[14]通过磨损实验和对磨屑形态的分析表明:不同特性的材料在不同的实验条件下得到的磨屑特征有明显差异.因此通过对磨屑形态变化规律的研究,可深入了解磨损机理.铁谱技术的应用,为磨损机理的研究和机械设备磨损状态的检测与故障诊断提供了一种新的技术工具:①从磨屑形态和尺寸特征,来判断零件所处的磨损状态,及该状态下发生的磨损类型(粘着、切削、疲劳、剥离等);②测定磨损量(磨损曲线);③磨屑尺寸大小与各个阶段中磨损剧烈程度的关系;④通过对磨屑成分的鉴定,确定磨屑的来源,判断零件磨损的具体部位[15].为使铁谱技术在生产实际中得到更快的推广应用,岳钟英等人利用DBASEⅢ数据库系统开发了一个FERODATA铁谱数据库,为铁谱数据的管理和使用分析带来了极大的方便.然而铁谱分析也存在一个缺点,就是对分析依赖过强,因此朱新河等人探讨了铁谱技术分析专家系统.由于系统的决策模型吸收了大量分析专家的参与,因此在作判断和决策时,要比单个分析人员进行这些工作更科学全面[16].传统的磨粒分析主要通过观察其形貌、尺寸、光泽、数量等特征值,依据专家经验知识来识别.但是这些信息中含有非精确性、不完整性和冗余性特征值,粗糙集理论无须任何先验信息,能有效地分析处理不精确、不一致、不完整等各种不完备数据,并从中发现隐含的知识,提示潜在的规律.赵新泽等人[17]利用粗糙集理论对磨损微粒类型判断的决策进行了优化,与用经验判断的结果一致,为摩擦学系统中磨损微粒类型判断决策提出了一种新的优化方法,从而提高了利用计算机进行微粒识别的效率.傅建平等人[18]应用分形理论与计算机图像技术相结合,描述了磨粒轮廓与边缘细节以及磨粒表面的纹理特征,提取了磨粒轮廓与表面纹理的四个分形特征,即磨粒轮廓分维特征、磨粒表面纹理分维及其方向分维特征以及磨粒间隙度特征等,客观全面地表征了磨粒纹理信息,提高了磨粒识别的范围与精确度,为有效识别磨粒提供了科学依据.1.3　齿轮磨损问题数值仿真研究

近年来,数值仿真技术逐渐地应用于摩擦学系统的研究中,为齿轮的磨损分析提供了一种新的手段.Glodez等人[19]用有限元法计算分析了基于圆柱体接触等效模型的应力强度因子同裂纹长度的定量关系;并对齿轮齿侧面的点蚀磨损进行了数值模拟研究.Lundval等人[20]研究了两个弹性体接触时的磨损计算,发现齿轮的主要磨损形式为轻微磨损,这种轻微磨损可导致齿轮表面形貌和尺寸的变化,引起齿轮的不均匀啮合甚至断裂失效.Flodin等人[21]针对齿轮轻微磨损预测建立了数值仿真模型,指出可以将整个仿真过程视作初始值问题,而由于每一个啮合周期都会产生一定的磨损而使表面尺寸发生变化,故总的磨损是所有啮合周期所产生的磨损的总和.数值仿真方法作为新的磨损研究手段,已引起摩擦界的广泛重视,并将发挥越来越重要的作用.

2　失效齿轮常用修复方法

齿轮接触表面在载荷作用下发生摩擦磨损并伴随温度升高,最终导致齿轮失效[22].大多数重型齿轮尺寸大、加工困难、造价高、加工周期长[23,24].因此,如何延长大型齿轮使用寿命和对失效大型齿轮进行修复使其恢复功能一直是人们所关注的问题[25].普通大齿轮传动精度要求不高,通常采用腐蚀方法再生,以延长使用寿命,降低生产和经营成本提高经济效益.而精密齿轮传动精度要求高,出现齿面点蚀和磨损损伤后,必须恢复原来的齿轮尺寸和精度,此时易采用刷镀和堆焊方法进行修复.2.1　调整换位修复

　第2期赵丽娟,等:齿轮传动中磨损问题的研究及修复方法综述

　　245

单向运转的齿轮经常发生轮齿单面损坏,在结构允许的情况下,可以将已磨损的齿轮换一个方位,利用未发生磨损损伤的另一面继续使用.如果齿轮结构对称,则翻转180°重新安装后,可以继续使用.2.2　腐蚀再生修复法

新加工的齿轮表面粗糙,运转中接触面积小,接触应力大,表面磨损剧烈.为了控制初期磨损,可以采用跑合方法来缩短初期磨损时间,使摩擦副接触表面相互共辊,从而改善齿轮接触表面质量.齿轮初期跑合的目的在于控制齿轮的初期磨损,而腐蚀再生技术从效果来看类似于齿轮的初期跑合.通常可以将齿轮的运转过程划分为4个阶段:①跑合阶段;②正常磨损阶段;③剧烈磨损阶段;④腐蚀再生阶段,通过利用润滑油添加剂的腐蚀作用,在短时间内消除齿轮表面点蚀及胶合引起的齿面凸起,使齿面发生微塑性变形削峰增合,扩大齿轮接触面积,从而抑制齿面破坏,提高齿轮的承载能力,延长齿轮的寿命.2.3　变位加工修复法利用齿轮负变位法,将大齿轮磨损部分切去,重新匹配新的正变位的小齿轮,从而使齿轮体可以继续投入使用,这就是齿轮的变位加工.为了使中心距保持不变,应当保持大齿轮和小齿轮变位的绝对值取值相等,即小齿轮取正值,大齿轮取负值,修齿轮的变位系数大小,取决于大齿轮的磨损状况,而变位系数的极限值则以小齿轮不发生齿顶变尖为准.2.4　刷镀修复

以吸存有镀液的绝缘材料包覆的阳极作主镀刷,饱吸镀液同时工作(阳吸),保持接触并作相对运动以完成电镀过程,这就是电刷镀[26].刷镀时被刷件作为阳极与直流电源的负极相连,同阳极形状相匹配的阴极安装于镀笔上并与电源的正极相连,镀液由泵注入阴极和阳极之间并循环,利用镀笔或镀件移动或转动实现阳极和阴极之间的相对运动.将电刷用于齿轮修复的优点主要是镀层的硬度和耐磨性较高,呈球花样的刷镀层之间存在的大量微孔,有利于吸附润滑油,从而提高抗磨性能.2.5　堆焊修复齿轮

采用堆焊方法可以修复齿轮的原始尺寸并适当提高修复齿轮的齿面硬度,齿轮局部堆焊和齿面多层堆焊处理后,可以采用磨削和切削加工法[27].常用的齿轮材料为中碳钢堆焊焊条或低合金钢,应当根据齿轮材料选择合适的焊条,一般应选用中低合金钢类,堆焊焊条为了取得更好的修复效果,可以在堆焊前将齿轮进行退火处理,以减小齿轮内部残余应力,降低硬度便于进行修复后齿轮的机加工和热处理.2.6　镶齿修复方法

对于受载不大,个别齿轮发生严重损伤的齿轮可以采用镶嵌方法进行修复,在原齿轮的根部开一个燕尾槽镶入轮齿,然后加工成所需齿形,可用螺钉将轮齿毛坯同原齿轮连接,并将各螺钉焊成一体,然后加工所需齿形,这就是镶齿修复.为了使齿轮毛坯同原齿轮根部镶嵌牢固,轮齿两侧必须借助点焊加以固定.对出现裂纹的轮齿采用齿端部加固方法,将废弃齿轮的未损伤轮齿切割,并在齿根处修理成倒梯形.通过增加焊接面积,可达到修复断齿的目的.2.7　热喷涂修复方法

热喷涂是指将融熔状态的喷涂材料,通过高热气流雾化喷射在材料表面形成喷涂后的一种金属表面加工方法.根据热源不同,可以将热喷涂区分为火焰喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂等类型,利用喷涂技术可以在材料表面制备几十毫米到几毫米厚的耐磨涂层,从而显著提高基体材料的耐磨性能和承载能力.

3　结语

总结了齿轮磨损问题的基本类型、研究历程、研究方法以及失效齿轮常用修复方法等.但是齿轮磨损的预测与实际情况相差很大[28～30],应该加强以下几方面的研究:首先,磨损机理的完善.磨损现象非常复杂,影响因素也很多,材料的磨损特征是随着条件改变而改变的.因此,它具有相对性、条件性,也就是工程系统特性.当前,系统工程理论已经成为解决综合性科学技术问题行之有效的方法,磨损问题也属于综合性科学技术的范畴,因此对磨损问题也已开始采用系统工程分析方法.其次,磨损问题的定量化,使其能够指导零部件的设计、选材等;第三,在仿真模型建立过程中应考虑多因素的影响,使其预测结果更接近实际情况.

　　　246

中　国　工　程　机　械　学　报第5卷　

参考文献:

[1]　林福严,曲敬信,陈华辉.磨损原理与抗磨技术[M].北京:科学出版社,1993.

　　　LINFuyan,QUJingxin,CHNEHuahui.Theprinciplesofattritionandtheantiweartechnique[M].Beijing:SciencePress,1993.

[2]　张铁岭,张祖明.表面磨损的类型、机理与测试[J].北京印刷学院学报,1997(5):27-35.

　　　ZHANGTieling,ZHANGZuming.Types,mechanismsandmeasurementsofsurfacewear[J].JournalofBeiJingInstituteofPrinting,1997

(5):27-35.

[3]　孙家枢.金属的磨损[M].北京:冶金工业出版社,1992.

　　　SHUNJiashu.Attritionofmetal[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,1992.

[4]　克拉盖尔斯基NB.摩擦、磨损与润滑手册[M].吴永伟译.北京:机械工业出版社,1986.

ΡΑΓΕЛ　　　КЪСКИЙИВ.Frictionattritionandlubricationmanual[M].WUYongweitranslation.Beijing:MechanicalIndustryPress,1986.

[5]　GLACLWELLGML.Contactproblemintheclassicaltheoryofclasticity[J].Sithoffandmoordhoff,1980,29(2):123-138.

[6]　VIJAYALARS,BUSBYH.Finiteelementanalysisofthree2dimensionalconformedcontactwithfriction[J].Compt&Struc,1989,25(3):

564-571.

[7]　CONRYTF,SEIREGA.Amathematicalprogrammingtechniquefortheevaluationofloaddistributionandoptimalmodificationsforgear

system[J].TransofASME,Nov,1973,35(2):1115-1122.

[8]　RABIONWICE.Frictionandwearofmaterials[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1986.[9]　彭炜,白杰.齿轮常见失效及其维修[J].农机使用与维修,2000(2):26-27.　　　PENGWei,BAIJie.Commonfailureofgearanditsmaintenance[J].UsageandMaintenanceofAgriculturalMachine,2000(2):26-27.

[10]　张利,杨淑荣.传动齿轮磨损、点蚀失效系统分析[J].烟台大学学报,2002(1):11-13.

　　　ZHANGLi,YANGShurong.Thesystemanalysisofabrasionandpittingerosionofsteelinesstransmissiongears[J].JournalofYantaiUni2

versity,2002(1):11-13.[11]　唐晓行,李勇.采煤机磨损状态监测技术研究[J].煤矿机械,2002(11):7-9.

　　　TANGXiaohang,LIYong.Investigationofferrographictechniqueformonitoringshearerwear[J].CoalMineMachinery,2002(11):7-9.

[12]　陈永,张家玺.汽车变速器齿轮副磨损分析及改善措施[J].润滑与密封,2006(8):5-8.

　　　CHENYong,ZHANGJiaxi.Theimprovementmeasuresandattritionanalysisofthegearpairinthecartransmissions[J].LubricationEngi2

neering,2006(8):5-8.

[13]　曲庆文,钟振远.考虑磨损的齿轮摩擦学设计[J].润滑与密封,2006(6):13-15.

　　　QUQingwen,ZHONGZhenyuan.Tribologicaldesignofgearconsideringwear[J].LubricationEngineering,2006(6):13-15.

[14]　岳钟英,周平安,金占明.干磨料磨损条件下磨属分析技术及磨料磨损机理的研究[J].摩擦磨损,1984(1):34-37.

　　　YUEZhongying,ZHOUPingan,JINZhanming.Theresearchontheattritiontechniqueandtheprinciplesofabrasiveattritionunderdry

abrasiveattritioncondition[J].ConfrictionAbrasion,1984(1):34-37.

[15]　谢友柏,张鄂.铁谱技术在齿轮压缩机磨损状态监测中研究[J].摩擦磨损,1985(4):14-19.

　　　XIEYoubai,ZHANGE.Researchonapplicationofiron2spectrumtechniquetoattritionofthegearcompressionengine[J].ConfrictionAbra2

sion,1985(4):14-19.

[16]　朱新河,严新平,萧汉梁.铁谱分析专家系统的探讨[J].润滑与密封,1995(4):23-26.

　　　ZHUXinhe,YANXinping,XIAOHanliang.Discussiononexpertsystemforferrographicanalysis[J].LubricationEngineering,1995(4):23

-26.

[17]　赵新泽,严新平,刑敬华,等.摩擦学系统中磨损微粒类型判断决策的优化[J].润滑与密封,2004(4):27-30.

　　　ZHAOXinze,YANXinping,XINGJinghua,etal.Thedecisionoptimizationofwearparticlemodeintribologysystem[J].LubricationEngi2

neering,2004(4):27-30.

[18]　傅建平,廖振强,张培林,等.铁谱磨粒形态分形特征参数提取方法研究[J].润滑与密封,2004(6):30-32.

　　　FUJianping,LIAOZhenqiang,ZHANGPeilin,etal.Researchonthetechniquesaboutextractingthewearparticlemorphologicalfractalpa2

rameter[J].LubricationEngineering,2004(6):30-32.

[19]　GLODEZS,WINTERH,STUWEHP.Afracturemechanicsmodelforthewearofgearflanksbypitting[J].Wear,1997,208:177-183.[20]　LUNDVALLO,KLARBA.Simulationofwearbyuseofanon2smoothnewmethod2aspurgearapplication[J].MechanicsofStructuresand

Machines,2001,29(2):223-238.

[21]　FlodinA.Simulationofmildwearinspurgears[J].Wear,1997,207:16-23.[22]　夏延秋.重型齿轮腐蚀修理技术探讨[J].设备管理与维修,1998,41:11-12.

　　　XIAYanqiu.Adiscussiononthecorrosionrepairetechnologyofheavy2dutygears[J].PlantMaintenanceEngineering,1998,41:11-12.

[23]　周细应,王伟.纳米耐磨和减磨镀层研磨[J].新技术新工艺,2005(7):15.

　　　ZHOUXiying,WANGWei.Attritiononthewear2resistantanddeabrasioncoatingofnanomaterials[J].NewTechnology&NewProcess,

　第2期

2005(7):15.

赵丽娟,等:齿轮传动中磨损问题的研究及修复方法综述

　　247

[24]　王海军.提高瓦楞辊齿面耐磨性新技术[J].新技术新工艺,2005(12):18.

　　　WANGHaijun.Anewtechnologyforenhancingwearresistanceofcorrugatedroller[J].NewTechnology&NewProcess,2005(12):18.

[25]　伍利群.齿轮修复的基本方法[J].矿山机械,2005(11):133-135.

　　　WULiqun.Basicrepairmethodsongear[J].Mining&ProcessingEquipment,2005(11):133-135.

[26]　张殿广.刷镀在机件修复中的应用[J].矿山机械,2003(7):60-61.

　　　ZHANGDianguang.Brushplatinginapplicationsonthedevicerepair[J].Mining&ProcessingEquipment,2003(7):60-61.

[27]　张太超,梁文杰.大型齿轮磨损后的堆焊修复工艺[J].工艺与新技术,2005(4):35-36.

　　　ZHANGTaichao,LIANGWenJie.Build2upweldingrepairtechnologyonthelargeabrasivegear[J].ProcessandNewTechnology,2005(4):

35-36.

[28]　冯益华,万金领.机械设计中的磨损和磨损失效[J].山东轻工业学院学报,1996(3):21-27.

　　　FENGYihua,WANJinling.Wearandwearfailureinmachinedesign[J].JournalofShandongInstituteofLightIndustry,1996(3):21-27.

[29]　杨可桢,程光蕴.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,1989.

　　　YANGKezhen,CHENGGuangyun.Basicmechanicaldesign[M].Beijing:HigherEducationPress,1989.

[30]　濮良贵.机械设计[M].北京:高等教育出版社,1989.

　　　PULianggui.Mechanicaldesign[M].Beijing:HigherEducationPress,1989.

・下期文章摘要预报・

网格简化算法在产品展销中的应用张秀芬1,胡志勇2,蔚　刚,裴承慧

　　虚拟现实技术的发展为产品的网上展销提出了新思路,客户可以全方位、互动式地在

网上浏览三维产品,为了保证浏览的实时性而不用增加硬件成本,提出采用网格简化技术对产品模型进行处理.介绍了Garland的二次误差测度简化算法以及笔者提出的加权算法的原理、数据结构和接口及实现技术.最后,给出了用VC++和OpenGL开发的简化平台在三维产品网上展销中的应用实例.

圆管道机器人驱动机构的研究与开发

许明恒,于　涛,高宏力,景国玺,谭　强,何常红

　　针对现有工业、民用领域管道机器人的特点,研究开发了一种新型的圆管道机器人螺

旋驱动机构.开发出的杠杆变径机构使机器人在直径50～90cm的不同管径内行进.对驱动机构进行了理论分析,采用MATLAB建模,得到最优的驱动机构设计方案.