機械齒輪材料選擇及設(shè)計優(yōu)化

李多

【摘 要】齒輪是指輪緣上有齒輪連續(xù)嚙合傳遞運動和動力的機械元件，在機械用具中起著關(guān)鍵的作用。齒輪在正常工作狀態(tài)下，可實現(xiàn)傳動等功能，齒輪傳動裝置是目前應(yīng)用最廣泛且穩(wěn)定性非常好的機構(gòu)和傳動裝置，同時齒輪也是許多機械產(chǎn)品的核心部件。但由于機械生產(chǎn)工作強度大等其他相關(guān)因素，機械齒輪經(jīng)常會出現(xiàn)失效問題，進而導(dǎo)致機械出現(xiàn)癱瘓等問題，降低了礦業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，必須加以改進。所以了解齒輪的失效形式，分析齒輪的失效原因，針對機械齒輪開裂的控制方法進行研究，并提出具體控制方式，對提高齒輪的抗疲勞強度、機械的壽命和增加企業(yè)的生產(chǎn)效益有重要意義。

【關(guān)鍵詞】機械齒輪;材料選擇;設(shè)計優(yōu)化

1 機械齒輪的材料選擇及加工工藝

1.1 機械齒輪的選材

世界其他各國主要采用鉻鎳和鉻鎳鉬的碳鋼，其和我國機械齒輪所常用的錳鉻鋼系相比，強度和韌性方面均存在較大程度的優(yōu)勢。我國小功率機械一般采用18鉻錳鈦、20鉻錳鈦及20錳VB等，近年來多使用18鉻2鎳4鎢和20鉻2鎳等鋼種，主要原因在于其不僅韌性和淬透性相對較高，在經(jīng)過淬火后表明仍具有耐磨和硬度較高等優(yōu)點，在低溫狀態(tài)下沖擊韌性相對較好，正火后切削性相對較好，除此之外，18鉻2鎳4鎢和20鉻2鎳4鋼齒輪要比8鉻錳鈦、20鉻錳鈦和20錳的使用壽命更長。

1.2 機械齒輪的技術(shù)要求

機械用齒輪要滿足的技術(shù)要求主要有兩部分，一部分是脈動循環(huán)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及表面摩擦應(yīng)力的一般工況條件，另一部分是包括短期超載及不規(guī)則的沖擊荷載在內(nèi)的特殊工況條件。因此，要求齒輪具有較高的強度和良好的過載能力及沖擊韌性。其次，工作空間的限制，要求齒輪尺寸不能隨機械用具功率的提高而增加過大，否則，會導(dǎo)致齒輪的表面接觸疲勞應(yīng)力及彎曲應(yīng)力增大，所以，除此之外，齒輪還必須保證材料的接觸疲勞及彎曲疲勞性能。

1.3 機械齒輪的選材

1.3.1 鎳鉻和鎳鉻鉬兩種鋼系切削性、鍛造性比較

不同材料的切削性主要和碳鋼的硬度有關(guān)，鎳鉻鉬碳鋼在經(jīng)過正火后，其硬度會小幅度降低，切削性能則會進一步提高，鎳鉻鋼系則為鐵素體、貝氏體、馬氏體和奧氏體的混合組織，硬度要高于鎳鉻鉬碳鋼，但切削性能卻相對較差，且隨著碳鋼合金元素不斷增加的同時碳鋼的鍛造性能也在不斷提高，這也是鎳鉻鉬性能要高于鎳鉻碳鋼性能的主要原因。

1.3.2 鎳鉻和鎳鉻鉬兩種鋼系抗過載能力、耐磨性比較

由于滲碳鋼的抗過載能力取決于鋼心部的強度和韌性，后經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，沖擊斷裂應(yīng)力和臨界過載載荷與材料的斷裂韌性有關(guān)且鉬、鎳等元素可以提高滲碳鋼的抗過載能力適當(dāng)減少材料中錳、鉻的含量可以減輕內(nèi)氧化作用，進而減少表面淬火冷奧氏體分解產(chǎn)物的形成，提高齒輪表面的疲勞抗力，改善材料的表面淬透性，將硬度梯度分布合理化。因此，鎳-鉻-鉬鋼系的抗過載能力要優(yōu)于鎳-鉻鋼系。

由于兩種鋼系的滲碳組織均為混合馬氏體，組織中的殘余奧氏體會產(chǎn)生塑性變形，改善齒輪的接觸狀況，保證齒輪的精度，但會降低齒輪的耐磨性和疲勞強度。一般情況下，殘余奧氏體含量10-20%為宜，鎳-鉻-鉬鋼系的滲碳層殘余奧氏體含量較鎳-鉻鋼系理想，因此鎳-鉻鋼系較鎳-鉻-鉬鋼系滲碳性能差，硬度低，進而耐磨性低。

2 機械齒輪設(shè)計優(yōu)化

2.1 設(shè)計優(yōu)化

由于機械作業(yè)多屬重負荷、中低速傳動，大多啟動頻繁，并經(jīng)常承受沖擊負荷，因此必須對現(xiàn)有的機械設(shè)備進行工業(yè)性試驗。考慮到軸承和齒輪承受的壓力和負荷較大。礦業(yè)生產(chǎn)中一般工作速度較低，傳動功率較大且環(huán)境粉塵含量高。設(shè)計時必須保證有足夠的設(shè)計強度。

在機械齒輪正常工作情況下，齒間嚙合時產(chǎn)生的接觸應(yīng)力往往較普通齒輪要大得多，而齒輪的硬度沒有滿足要求，在工作狀態(tài)下出現(xiàn)裂紋。

考慮到上述情況，需要根據(jù)機械設(shè)備的工作條件，選擇滿足齒輪工作要求強度的材料，并進行熱處理工藝優(yōu)化和表面強化處理工藝優(yōu)化，保證齒輪具有足夠的強度和硬度。然后，根據(jù)機械齒輪的環(huán)境，對齒輪的形狀尺寸，進行合理的設(shè)計。由于機械齒輪多為低速重載齒輪，接觸應(yīng)力高，接觸面的局部彈性不能忽略，還需要根據(jù)相關(guān)規(guī)律與理論計算，計算其潤滑參數(shù)。

機械齒輪的安裝也是影響山機械設(shè)備能否正常工作及壽命的重要原因之一。因此為了保證安裝質(zhì)量，需要對齒輪軸中心線的平度、嚙合間隙、中心矩、平行度、軸承安裝及接觸面積等，進行設(shè)計優(yōu)化。

2.2 加工工藝優(yōu)化

雖然，機械齒輪承載能力的強弱并不完全取決于齒輪硬度，但提高齒輪硬度仍是影響齒輪承載能力的主要因素之一。而提高齒輪硬度的有效熱處理工藝手段是深層滲碳淬火。由于鎳元素相對含量越多，奧氏體形成就越大，共析成分的碳含量就越低，滲碳時表面就越易形成碳化物，進而導(dǎo)致表層奧氏體中的含碳量低于次表層奧氏體。因此，為了減少碳化物、馬氏體、殘余奧氏體的級別差，硬度偏低等現(xiàn)象。鎳-鉻鋼系不宜直接淬火，如果滲碳后空冷，表層還會產(chǎn)生屈氏體，次表層會產(chǎn)生馬氏體。

但對于鎳鉻鉬鋼系，由于含有鉬元素且鎳-鉻-鉬鋼系鎳元素含量少，上述不良現(xiàn)象的影響較鎳-鉻鋼系小。因此，只需將滲碳表層的碳濃度和整個滲碳層的碳濃度梯度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，在適當(dāng)?shù)拇慊饻囟群痛慊鸾橘|(zhì)下，直接滲碳淬火即可。另外，鎳-鉻-鉬鋼系較鎳-鉻鋼系熱處理后的變形小熱處理后力學(xué)性能好，進而提高了齒輪的精度、強度，降低了工作時的噪聲和振動，進而提高了齒輪的使用壽命且鎳-鉻-鉬鋼系的淬透性要優(yōu)于鎳-鉻鋼系。

所以對于以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系，應(yīng)選擇正確的熱處理工藝，在930℃下滲碳，820℃淬火且60℃機油冷卻，180℃低溫回溫，熱處理工藝簡單。較鎳-鉻鋼系，生產(chǎn)周期短，成本低。滲層深度一般為0.1～0.15m，屬中等滲層，主要用于表面硬化，表層組織為馬氏體、碳化物和殘留奧氏體，表層應(yīng)力狀態(tài)為高殘余壓應(yīng)力。經(jīng)淬火后，表面硬度可達58～65HR碳，心部硬度一般可達30HR碳，具有良好的耐磨性、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度、抗粘著咬合能力及較高沖擊韌性，熱處理變形傾向性大，但不易開裂。

由于在日常生產(chǎn)中，機械經(jīng)常需要承受過大的壓力，齒輪表面的強化處理還會涉及到齒輪芯部，且目前應(yīng)用最多的就是通過增強其芯部的強度來避免齒輪失效，但合理所討論的是如何對機械齒輪的開裂進行有效的控制，所以可以采用小球撞擊齒輪，以提高其強度。

3 總結(jié)

本文對機械低速重載齒輪的開裂失效問題，對機械低速重載齒輪的選材和設(shè)計進行相關(guān)方面的優(yōu)化得出以下結(jié)論：

（1）開裂剝落最初是沿輪齒裂紋，向兩側(cè)擴展，已開裂區(qū)域在嚙合過程中受到擠壓和磨損，在多次循環(huán)中，裂紋快速擴展，最終齒輪開裂剝落。

（2）開裂面在開裂過程中，兩個開裂面之間由于相互擠壓已經(jīng)形成塑性變形，由于開裂面已經(jīng)經(jīng)過了較長時間的擠壓、磨損，故在開裂過程中，開裂的晶粒面已經(jīng)磨平，說明在開裂過程中，開裂面已經(jīng)經(jīng)過了較長時間的擠壓、磨損。

（3）經(jīng)切削性、鍛造性、耐磨性、淬透性及抗過載能力的比較，應(yīng)選擇各方面性能較好的以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系。

（4）以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系的熱處理工藝應(yīng)為930℃下滲碳，820℃淬火且60℃機油冷卻，180℃低溫回溫，熱處理工藝簡單較鎳-鉻鋼系，生產(chǎn)周期短，成本低。且在滲碳或磨齒后應(yīng)進行表面強化處理。

（5）在齒輪安裝時應(yīng)考慮，齒輪軸中心線的平度、嚙合間隙、中心矩、平行度、軸承安裝及接觸面積等問題。

參考文獻：

[1]李郁民.控制煤礦機械齒輪的有效控制方式研究[J].礦業(yè)裝備，2018（2）：46-47.

[2]徐濤元.齒輪開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2009（45）：315-317.

[3]李存杰.一種大型齒輪組織缺陷及其開裂失效分析[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

（作者單位：北方華安工業(yè)集團有限公司）