机械齿轮材料选择及设计优化

机械齿轮材料选择及设计优化

焦正亮

天津寰宇通导软件有限公司 天津 300450

摘要：齿轮是指轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件，在机械用具中起着关键的作用。齿轮在正常工作状态下，可实现传动等功能，齿轮传动装置是目前应用最广泛且稳定性非常好的机构和传动装置，同时齿轮也是许多机械产品的核心部件。但由于机械生产工作强度大等其他相关因素，机械齿轮经常会出现失效问题，进而导致机械出现瘫痪等问题，降低了矿业企业的生产效率，导致安全事故的发生，必须加以改进。所以了解齿轮的失效形式，分析齿轮的失效原因，针对机械齿轮开裂的控制方法进行研究，并提出具体控制方式，对提高齿轮的抗疲劳强度、机械的寿命和增加企业的生产效益有重要意义。

关键词：机械齿轮；材料选择；设计优化

引言

我国从国外引进的工程机械产品其重要齿轮所用的材料是按国外产品标准生产的，由于这些齿轮对冶金性能及热处理技术要求的标注、检查方法与现行国家标准不一致，以及某个企业从国外多家引进技术并生产产品，使用标准各不相同，都会给设计、工艺、生产和检验造成麻烦，有时会影响到产品质量。

1矿山机械齿轮工况条件

1）承受短时超载及不规则的冲击载荷由于工况的局部变化，矿山机械频繁起动，致使齿轮承受短时超载及不规则的冲击载荷。研究表明，引起齿轮失效时的工作载荷可高达主电动机额定功率的7倍。为此，要求重载齿轮材料不仅要具有较高的强度，而且必须要具有良好的过载能力及冲击韧性。2）工作空间受到严格限制受工作空间严格的限制，其齿轮尺寸不允许随矿山机械功率的提高而增加过大。因此，致使单齿的表面接触疲劳应力及弯曲应力增大，对材料的接触疲劳及弯曲疲劳性能提出了更高要求。3）齿面磨损严重由于矿山粉尘较多，并存在有害气体，致使其齿轮的表面磨损相对于其他环境下的齿轮磨损更加严重。

2机械齿轮材料选择及设计优化

2.1机械齿轮材料选择

矿山行业具有非常重要的价值，因此在进行矿山的开采过程中，常常会选择一些重要的设备，设备的正常使用能够非常有效的提高开采的效率，具有非常重要的应用价值，所以在矿山的机械齿轮材料选择的时候，需要注意的事项非常的多，比如说，一些材料选择的原则。（1）材料的选择必须要满足工作的需求，因为不同的材料应用是不一样的，不同的材料安装在不同的设备上，例如飞行器非常的小，在选择材料的时候，需要注意材料的质量，满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求,因此必须选择机械性能高的合金银，在矿山的开采过程中，因为不需要减少设备的大小，所以在进行材料选择的时候，需要注意的是，更倾向于用功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高,因此往往选择铸钢或铸铁等材料。正是因为材料的不同导致材料性能的不同，所以在选择材料的时候必须要加强重视，避免材料选择上存在较大的失误，造成在进行资源开采的时候，降低了开采的效率，降低了资源的产量，不能满足我们国家生产的需求，就会造成国家的发展速度降低，造成非常严重的后果，我们必须要注意材料的选择原则，报账材料的应用价值。（2）机械齿轮的大小，因为不同用途的设备，齿轮的大小肯定存在一定的差别，在进行矿山开采的时候，齿轮如果太小的话就会造成开采的深度不够，齿轮太大的话，也会影响资源的质量问题，所以为了保障齿轮在进行资源开采的时候，获得更高质量的资源，就必须要非常的重视齿轮尺寸的大小，选择标准的尺寸。（3）进行承受能力的检测，矿山机械设备必须要能够承受住冲击，防止因为一些较小的冲击力就造成了齿轮的影响，降低了齿轮的工作效率，对齿轮造成严重的伤害，不仅不能有效的进行资源的开采，还导致成本的提高，这对于节约成本的理念有悖。合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮，能够非常好的提高齿轮的质量，保障运行的效率所以得到了非常广泛的使用。针对于一些机械设备需要进行不同速度的运行，速度不同使用的齿轮材料也是不同的，所以必须要针对设备的运行速度进行材料的正确选择，矿山的机械齿轮材料，应用需要承受住较大的冲击力，在使用的时候，也需要进行材料的检测，需要一些高强度韧性和耐磨性的材料，需要提高设备的使用寿命，提高设备的使用效率，但是由于机械设备齿轮形状在进行制造的时候非常的复杂，所以必须要提高齿轮的制造工艺，提高齿轮的质量，才能保障机械的正常高效的运行，才能提高设备的精度，提高资源开采的数量和质量，具有非常重要的应用价值。

2.2加工工艺优化

虽然，机械齿轮承载能力的强弱并不完全取决于齿轮硬度，但提高齿轮硬度仍是影响齿轮承载能力的主要因素之一。而提高齿轮硬度的有效热处理工艺手段是深层渗碳淬火。由于镍元素相对含量越多，奥氏体形成就越大，共析成分的碳含量就越低，渗碳时表面就越易形成碳化物，进而导致表层奥氏体中的含碳量低于次表层奥氏体。因此，为了减少碳化物、马氏体、残余奥氏体的级别差，硬度偏低等现象。镍-铬钢系不宜直接淬火，如果渗碳后空冷，表层还会产生屈氏体，次表层会产生马氏体。但对于镍铬钼钢系，由于含有钼元素且镍-铬-钼钢系镍元素含量少，上述不良现象的影响较镍-铬钢系小。因此，只需将渗碳表层的碳浓度和整个渗碳层的碳浓度梯度控制在适当范围内，在适当的淬火温度和淬火介质下，直接渗碳淬火即可。另外，镍-铬-钼钢系较镍-铬钢系热处理后的变形小热处理后力学性能好，进而提高了齿轮的精度、强度，降低了工作时的噪声和振动，进而提高了齿轮的使用寿命且镍-铬-钼钢系的淬透性要优于镍-铬钢系。所以对于以铬钢等硬齿面钢种的镍-铬-钼钢系，应选择正确的热处理工艺，在930℃下渗碳，820℃淬火且60℃机油冷却，180℃低温回温，热处理工艺简单。较镍-铬钢系，生产周期短，成本低。渗层深度一般为0.1~0.15m，属中等渗层，主要用于表面硬化，表层组织为马氏体、碳化物和残留奥氏体，表层应力状态为高残余压应力。经淬火后，表面硬度可达58~65HR碳，心部硬度一般可达30HR碳，具有良好的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、抗粘着咬合能力及较高冲击韧性，热处理变形倾向性大，但不易开裂。由于在日常生产中，机械经常需要承受过大的压力，齿轮表面的强化处理还会涉及到齿轮芯部，且目前应用最多的就是通过增强其芯部的强度来避免齿轮失效，但合理所讨论的是如何对机械齿轮的开裂进行有效的控制，所以可以采用小球撞击齿轮，以提高其强度。

结语

国家的发展离不开重要的资源，因为一些行业的发展需要大量的资源支持，还有人们的生活质量的保障也需要更多的能源进行支持，矿山行业的发展不仅仅是行业发展的需求，也是人们的生活得到保障的基础，必须要提高矿山行业发展的速度，提高资源的开采效率，保障机械设备的质量，选择正确的材料，应用最新的齿轮处理技术，保障齿轮的正常运行。

参考文献

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