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1、硬齒面齒輪(滲碳、碳氮共滲、氮化)層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法的探討上海盛運(yùn)機(jī)械工程有限公司李元元2012-11-30主要內(nèi)容硬齒面剝落的發(fā)生原因?qū)由罱佑|疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法介紹舉例說(shuō)明和解決辦法總結(jié)硬齒面接觸損壞形式齒面點(diǎn)蝕齒面剝落初期點(diǎn)蝕擴(kuò)展型點(diǎn)蝕齒面接觸疲勞強(qiáng)度(GB3480)計(jì)算基礎(chǔ)擴(kuò)展型點(diǎn)蝕發(fā)展到一定程度,齒面大面積剝落層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的必要性主要原因:齒面受壓并有相對(duì)滑動(dòng)在接觸面上不僅存正應(yīng)力,還存在剪應(yīng)力。根據(jù)強(qiáng)度理論,求得兩種應(yīng)力之和為綜合接觸應(yīng)力σcp。其最大值不在輪齒表面,而在離表面
2、一定深度的次表面。導(dǎo)致齒面剝落層深接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—齒面剝落產(chǎn)生的原因?qū)由罱佑|疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—適用于滲碳、碳氮共滲以及氮化等硬齒面齒輪σH≤σHKP/SHKσH—計(jì)算接觸應(yīng)力σHKP—層深許用接觸應(yīng)力SHK—層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的安全系數(shù),推薦按下表取值,在缺乏試驗(yàn)實(shí)踐數(shù)據(jù)時(shí),可取最小平均值SHKmin=1.4鋼種熱處理過(guò)程中是否具備自動(dòng)控制裝置碳鋼有1.5無(wú)1.6低碳合金鋼有1.4無(wú)1.5無(wú)鎳或含鎳小于1%的合金鋼(20Cr,18CrMnTi,25CrMnTi,20CrMnMo)有1.3無(wú)
3、1.4含鎳大于1%的合金鋼(18CrMnNi2MoV,12CrNi3A,18Cr2Ni4WA,20CrNi3A,12Cr2Ni4,20Cr2Ni4A)有1.2無(wú)1.3層深接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—硬化層硬度分布層深許用接觸應(yīng)力σHKP取決于齒面硬化的熱處理方式和可能出現(xiàn)損壞的區(qū)域。硬化層硬度H的分布規(guī)律是:HoHk—輪齒表面與芯部的平均硬度(HV)ht—有效硬化層深度z—硬化層的深度ρv—齒形當(dāng)量曲率半徑層深接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—最大綜合接觸應(yīng)力的深度WHt—單位圓周力E—彈性模量,2.1×105MPa
4、;FtH—圓周力,N;KH—載荷系數(shù);bw—工作齒寬,mm;u—傳動(dòng)比;β—螺旋角;最大綜合接觸應(yīng)力處的深度式中外嚙合為“+”內(nèi)嚙合為“-”(1)最大綜合接觸應(yīng)力的深度大于有效硬化層厚度時(shí)bH>ht(見(jiàn)圖a)層深接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—最大綜合接觸應(yīng)力三種分布情況下許用接觸應(yīng)力的計(jì)算Hk—輪齒芯部平均硬度(HV)(2)最大綜合接觸應(yīng)力位于硬化層內(nèi)bH<ht(見(jiàn)圖b)層深接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算—最大綜合接觸應(yīng)力三種分布情況下許用接觸應(yīng)力的計(jì)算實(shí)際硬化層深度度實(shí)際硬化層硬度(3)最大綜合接觸應(yīng)力位于硬化層交
5、界處bH=ht(見(jiàn)圖c)層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例2800kW的2級(jí)行星齒輪減速器(用于水泥磨中心驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)),其技術(shù)參數(shù)下表所示:12Z1Z2Z3Z1Z2Z3齒數(shù)18521232039100模數(shù)mm1016行星輪數(shù)34減速比7.8336電機(jī)功率kW2800轉(zhuǎn)矩N.m輸入3.6X104輸出1.7X106行星齒輪減速器主要參數(shù)級(jí)數(shù)參數(shù)層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(一)——氮化處理內(nèi)齒圈計(jì)算第2級(jí)內(nèi)齒圈的層深接觸疲勞強(qiáng)度:齒圈材料42CrMo調(diào)質(zhì)氮化處理。齒面硬度Ho=600HV,芯部硬度HK=320~340HB
6、(HV320~340)有效硬化層深度為ht≈1.0mm。注:由于齒圈較大,限于制造廠當(dāng)時(shí)的熱處理?xiàng)l件(2003年),實(shí)際調(diào)質(zhì)后的芯部硬度為220HB層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(一)——氮化處理內(nèi)齒圈計(jì)算當(dāng)量曲率半徑單位圓周力圓周力內(nèi)齒圈節(jié)圓直徑層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(一)——氮化處理內(nèi)齒圈計(jì)算最大綜合接觸應(yīng)力深度由計(jì)算可得根據(jù)最大接觸應(yīng)力的深度大于硬化層厚度的情況,而計(jì)算所得內(nèi)齒圈的計(jì)算接觸應(yīng)力為σH=630MPa(計(jì)算過(guò)程略)取安全系數(shù)SHK=1.4,即得:σH>σHKP/SHK=792/1.4=56
7、6MPa結(jié)論:不符合層深接觸疲勞強(qiáng)度條件實(shí)際使用時(shí),減速器在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)噸水泥后,內(nèi)齒圈發(fā)生剝落損傷。層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(一)——氮化處理內(nèi)齒圈計(jì)算解決辦法:把內(nèi)齒圈調(diào)質(zhì)硬度調(diào)到300HB層深接觸疲勞強(qiáng)度達(dá)到要求許用層深接觸應(yīng)力層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(二)——滲碳淬火太陽(yáng)輪計(jì)算第2級(jí)太陽(yáng)輪的層深接觸疲勞強(qiáng)度:太陽(yáng)輪齒輪材料20Cr2Ni4A;齒面滲碳,整體淬火;有效硬化層深度2.2~2.6mm;齒面硬度HRC58~62(HV700~750);芯部硬度HRC32~36(HV270~3
8、20);層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(二)——滲碳淬火太陽(yáng)輪計(jì)算當(dāng)量曲率半徑單位圓周力圓周力太陽(yáng)輪節(jié)圓直徑層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(二)——滲碳淬火太陽(yáng)輪計(jì)算最大綜合接觸應(yīng)力深度由計(jì)算可得根據(jù)最大綜合接觸應(yīng)力位于硬化層內(nèi)的情況,而計(jì)算所得太陽(yáng)輪的計(jì)算接觸應(yīng)力為σH=1244MPa(計(jì)算過(guò)程略)取安全系數(shù)SHK=1.2,即得:σH>σHKP/SHK=1260/1.2=1050MPa結(jié)論:不符合層深接觸疲勞強(qiáng)度條件層深接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例(二)——