淺析重載傳動(dòng)齒輪“綠色”修復(fù)技術(shù)

高德柱，杜文清，張坤

（1.鞍鋼股份有限公司線(xiàn)材廠(chǎng)，遼寧 鞍山 114042；2.鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450052）

重載齒輪經(jīng)常會(huì)在超負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，受強(qiáng)沖擊、高溫、高轉(zhuǎn)速、環(huán)境污染等復(fù)雜工況影響，齒面點(diǎn)蝕磨損、膠合、斷齒為其主要損壞形式。一般來(lái)說(shuō)，在齒面出現(xiàn)輕度或者是中度點(diǎn)蝕磨損的情況，其傳動(dòng)狀態(tài)可以繼續(xù)保持，但是如果出現(xiàn)中度的磨損甚至是剝落，最終會(huì)導(dǎo)致斷齒，造成停機(jī)。對(duì)于工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，重載傳動(dòng)齒輪都是核心設(shè)備部件，制造費(fèi)用和成本都很高，且制造周期較長(zhǎng)，一旦出現(xiàn)齒輪的重度損壞，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，為控制企業(yè)的資源浪費(fèi)，綠色化再生技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)于重載傳動(dòng)齒輪的綠色修復(fù)技術(shù)也在不斷提高，對(duì)相關(guān)的企業(yè)具有非常大的影響，因此，需要加強(qiáng)對(duì)修復(fù)技術(shù)的重視，探討出適合現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的修復(fù)技術(shù)，從而取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 齒輪失效的狀況分析

齒輪傳動(dòng)在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中占據(jù)著重要的位置，重載傳動(dòng)齒輪主要是用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的，因此，其質(zhì)量的好壞與壽命的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成直接的影響。齒輪在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，自身受載荷作用力，另外再加上外界的沖擊載荷、潤(rùn)滑不良、腐蝕等因素的影響，就會(huì)讓齒輪在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)一定的磨損和缺陷，輕度和中度的磨損還可以繼續(xù)維持幾年，但是嚴(yán)重的磨損就有可能讓齒輪出現(xiàn)失效報(bào)廢的情況。

（1）齒面塑性變形。因過(guò)載或瞬間的沖擊載荷，使齒面局部產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而影響到齒輪的質(zhì)量。該缺陷多數(shù)發(fā)生在齒面硬度偏低的齒輪上，硬化層比較薄，有時(shí)由于接觸帶偏齒頂，齒面靠齒頂圓處容易產(chǎn)生凸邊。鋼廠(chǎng)軋鋼機(jī)開(kāi)軋鋼板瞬間軟齒面齒輪，當(dāng)瞬間突然大幅度加載時(shí)，就有可能出現(xiàn)齒面局部塑性變形。

（2）齒面磨損。齒輪的磨損是齒輪常見(jiàn)的問(wèn)題，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度對(duì)齒面有著重要的影響，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度如果過(guò)低和過(guò)高都會(huì)讓齒面出現(xiàn)磨損，齒輪的表面無(wú)法形成良好的油膜就會(huì)讓金屬出現(xiàn)直接的接觸，進(jìn)而出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。齒輪在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，如果周邊的環(huán)境較差，就會(huì)容易混進(jìn)一些雜質(zhì)和顆粒，進(jìn)而對(duì)齒輪造成一定的磨損，出現(xiàn)輕度或者中度的磨損失效。對(duì)于冶金重載齒輪來(lái)說(shuō)，基本上都要受到比較大的應(yīng)力，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重度的磨損失效。

（3）齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕。齒面出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕的主要原因就是齒面疲勞。這主要指的是齒輪在進(jìn)行嚙合的過(guò)程中，一般會(huì)受到接觸應(yīng)力的影響，而且是周期性變化的，在表層內(nèi)0.786b1深處具有最大剪切應(yīng)力，當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)了齒輪工作表面材料的極限之后，在相應(yīng)的部位就會(huì)出現(xiàn)一定的疲勞裂紋，隨著周期性的變化，疲勞的裂紋也會(huì)慢慢地出現(xiàn)擴(kuò)展和延伸的現(xiàn)象，進(jìn)而伴隨著小塊的金屬脫落，慢慢形成了點(diǎn)蝕的小凹陷。

接觸疲勞產(chǎn)生的點(diǎn)蝕一般會(huì)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)以下的齒面，這個(gè)部位的齒輪滾動(dòng)與滑動(dòng)的方向是相反的，因此比較容易出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。齒面的硬度和硬化層的深度與接觸疲勞的強(qiáng)度有很大的關(guān)系，因此要想對(duì)齒面的抗點(diǎn)蝕能力進(jìn)行增強(qiáng)，就要對(duì)齒面的硬度進(jìn)行提高。

（4）斷齒。①過(guò)載、瞬間或劇烈的沖擊載荷以及嚴(yán)重偏載引起突然斷齒。造成這樣損壞的主要原因是由于載荷產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，輪齒被強(qiáng)制撕裂而斷裂，其端面金屬顆粒清晰。②由于齒輪的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞極限所造成的疲勞斷齒，斷齒情況的主要原因就是彎曲疲勞，因?yàn)閺澢诙霈F(xiàn)的斷齒主要是出現(xiàn)在齒輪的根部，這主要是因?yàn)辇X輪傳遞負(fù)荷的過(guò)程中都是這個(gè)部位在承受彎曲的應(yīng)力，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的負(fù)荷之后，就出現(xiàn)了斷齒的現(xiàn)象。斷口呈光滑疲勞波紋，在粗糙的、參差不齊的小面積處，是齒輪最后斷裂的部分。③由于齒面點(diǎn)蝕擴(kuò)張引起的裂紋斷齒。裂紋源于齒面點(diǎn)蝕坑，斷口呈疲勞波紋狀。

（5）齒面膠合。受齒面負(fù)載較大，齒間潤(rùn)滑油因摩擦發(fā)熱，使油質(zhì)變稀薄，造成油膜破裂，導(dǎo)致齒面金屬直接接觸，發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，以致熔化在一起，進(jìn)而撕裂引起表面損傷，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為膠合。

2 齒輪的修復(fù)技術(shù)和方法

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工業(yè)修復(fù)技術(shù)都在進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，各國(guó)的專(zhuān)家也都在進(jìn)行研究和分析。

（1）冷焊法。冷焊技術(shù)是一種金屬修復(fù)的新工藝，是工程設(shè)備進(jìn)行維修和防護(hù)的重要技術(shù)，它能夠延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，對(duì)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展具有重要作用。近年來(lái)，隨著各種工業(yè)修補(bǔ)材料的不斷研發(fā)，很多高強(qiáng)度的復(fù)合材料都被廣泛地運(yùn)用，在對(duì)齒輪的修復(fù)中，使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的膠把斷齒進(jìn)行冷焊修復(fù)，能夠讓斷齒更加牢固，并且具有較長(zhǎng)的使用壽命。

（2）調(diào)整換位法。調(diào)整換位法就是將已經(jīng)磨損的齒輪變換方向，使用齒輪還沒(méi)有出現(xiàn)磨損或者磨損還比較輕微的位置繼續(xù)工作，這樣的方式是比較適合單向運(yùn)轉(zhuǎn)受力所造成的齒輪磨損。對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的單面磨損齒輪來(lái)說(shuō)，可以使用直接翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行重新安裝和使用，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的齒輪，可以在另一端使用焊裝等方式，添加上合適的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，然后再安裝和使用。如果不想添加結(jié)構(gòu)，也可以將在安裝齒輪的軸上加墊圈進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而把齒輪調(diào)整到合適的位置，然后再使用就可以保證齒輪能夠正常嚙合了。一般來(lái)說(shuō)，圓錐齒輪和具有正反轉(zhuǎn)的齒輪是不能使用這種方法進(jìn)行修復(fù)的，一定要注意這一點(diǎn)。

（3）鑲齒修復(fù)法和堆焊修復(fù)法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于負(fù)荷不是很大或者轉(zhuǎn)速不是很高的齒輪，可以將個(gè)別的齒輪打掉，在進(jìn)行修復(fù)的時(shí)候，把壞齒輪的根部在刨床上刨出梯形槽，進(jìn)而將新齒胚緊緊壓入，然后對(duì)其進(jìn)行焊接或者是螺栓連接，將其進(jìn)行加工和整形，成為合適的齒輪。但是對(duì)于冶金的重載齒輪來(lái)說(shuō)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)個(gè)別齒輪嚴(yán)重磨損的情況，如果不進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，就會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行造成影響，進(jìn)而影響企業(yè)的收益，在這樣的情況下，比較簡(jiǎn)單的齒輪修復(fù)方法就是堆焊修復(fù)法。具體來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)齒輪損壞的具體情況，在齒輪的整個(gè)或者部分進(jìn)行堆焊一層或者多層技術(shù)，主要可以分為電焊和氣焊兩種，這種方式操作比較簡(jiǎn)單并且修復(fù)效果不錯(cuò)。

（4）鑲齒圈修復(fù)法。一般齒輪出現(xiàn)磨損后，可以使用更換齒圈的方式進(jìn)行修復(fù)。首先是對(duì)齒輪的全部齒輪進(jìn)行修復(fù)，通過(guò)重新制造齒圈來(lái)壓裝在原有齒輪的位置，同時(shí)為了保證齒輪能夠固定不產(chǎn)生松動(dòng)，可以在齒圈和齒輪的結(jié)合處進(jìn)行點(diǎn)焊，或是采用鉆孔的方式利用穩(wěn)釘進(jìn)行固定。在使用齒圈修復(fù)法的時(shí)候，還要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)齒輪的磨損進(jìn)行觀(guān)察，進(jìn)而使用合適的材質(zhì)制造新的齒圈，保證齒輪的使用強(qiáng)度，進(jìn)而保證齒輪整體的質(zhì)量。

3 如何提高冶金重載齒輪的使用壽命

（1）合理的設(shè)備布局和正確的安裝。設(shè)備的布局和安裝要考慮到生產(chǎn)工藝，同時(shí)還要重視零件的受力情況，要使齒輪的荷載平穩(wěn)，并且盡量減少?zèng)_擊負(fù)荷，進(jìn)而提高其使用壽命。另外，不管是在設(shè)計(jì)布局還是安裝的過(guò)程中，都要重視對(duì)設(shè)備的維護(hù)和管理，盡可能減少因?yàn)橥饬Χ霈F(xiàn)的問(wèn)題。

（2）選擇恰當(dāng)?shù)凝X輪強(qiáng)度。冶金設(shè)備的工作環(huán)境一般是比較差的，因此經(jīng)常會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩囟霈F(xiàn)齒輪負(fù)荷加重的情況。在對(duì)齒輪的接觸輕度和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行選擇時(shí)，要對(duì)相關(guān)的資料和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和參考，盡可能保證強(qiáng)度的精確性，減少誤差，讓齒輪可以達(dá)到設(shè)計(jì)的壽命年限。

（3）合理選擇齒輪的材料。齒輪的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力一般都與齒輪的強(qiáng)度有關(guān)，硬齒面的應(yīng)力可以提高齒輪的承載能力，在相同的情況，硬齒輪比軟齒輪要有更高的使用壽命，尤其是對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪或者重載齒來(lái)說(shuō)，就更是如此。因此，在對(duì)齒輪的材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，要在保證齒輪精度的情況下，優(yōu)先選擇硬齒輪，并且要對(duì)其加工和制造的技術(shù)進(jìn)行重視。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，齒輪在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中很容易出現(xiàn)磨損和失效，因此要根據(jù)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重視齒輪修復(fù)的方法。齒輪修復(fù)能夠在一定程度上減少設(shè)備的維修費(fèi)用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)冶金企業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。