機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗磨損的改造方法

周云其

(寧波永望電子科技有限公司，浙江 寧波 315175)

伴隨著機(jī)械自動化生產(chǎn)方式的廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)型企業(yè)更加依賴于機(jī)械設(shè)備的加工制造。鑒于機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，對成套設(shè)備造成的不利影響，需及時設(shè)計有效的抗磨損方法，優(yōu)化改造機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用性能，降低實際生產(chǎn)故障的發(fā)生率。

保護(hù)好機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，關(guān)系著生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)、加工成本等多項指標(biāo)的控制。機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了成套設(shè)備的運轉(zhuǎn)性能，也是設(shè)計環(huán)節(jié)中需要嚴(yán)格控制的構(gòu)造內(nèi)容。傳動結(jié)構(gòu)，是設(shè)備的核心組成部分，負(fù)責(zé)傳輸各類動能以提供機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)，從局部上協(xié)調(diào)了機(jī)器的操控性能。磨損過度，是機(jī)械設(shè)備應(yīng)用期間常見的問題，傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計需注重抗磨損改造方案的優(yōu)化設(shè)計。本文根據(jù)傳動機(jī)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)，提出了有效的抗磨損設(shè)計方法。

1 傳動機(jī)構(gòu)磨損造成的危害

我國市場經(jīng)濟(jì)正面臨著經(jīng)濟(jì)全球化、經(jīng)濟(jì)區(qū)域化兩種發(fā)展局勢，新時期的市場環(huán)境，刺激了生產(chǎn)型企業(yè)加工制造模式的改進(jìn)，引入大量機(jī)器設(shè)備輔助產(chǎn)品加工，是必不可少的。自動化生產(chǎn)，帶動了經(jīng)營效益的增收，提高了先進(jìn)設(shè)備及其科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用效率。

另一方面，過度依賴于機(jī)械設(shè)備加工生產(chǎn)，也導(dǎo)致機(jī)器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的磨損問題。傳動機(jī)構(gòu)磨損，具有多方面的潛在危害。

（1）性能危害。傳動機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備中，是極為重要的構(gòu)造部分，由多個傳動配件組裝而成，承擔(dān)著傳輸、改變、調(diào)節(jié)動力的作用。傳動機(jī)構(gòu)磨損量偏大，直接降低了動力機(jī)器的運轉(zhuǎn)性能，無法正常調(diào)控動力大小，設(shè)備無法按照正常的指令完成作業(yè)。如：在齒輪傳動結(jié)構(gòu)中，大小尺寸磨損過多，齒距誤差偏大，由于齒輪配合不緊密，而降低了設(shè)備的運行效率。

（2）安全危害。零配件磨損，容易引起瞬間性的脆裂，使正常運行的機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)性故障，擾亂了內(nèi)部機(jī)構(gòu)的動力傳輸秩序[1]。以鏈傳動為例，由金屬鏈條帶動齒輪運轉(zhuǎn)，齒輪或金屬鏈條磨損過度，兩者之間配合的緊密性減弱，金屬鏈條斷裂，引起了機(jī)器故障。若鏈傳動處于高轉(zhuǎn)速運行，金屬鏈條飛出，易擊傷操作人員，對機(jī)械設(shè)備、操作人員均是很大的危害。

（3）生產(chǎn)危害。各種機(jī)械設(shè)備，是生產(chǎn)型企業(yè)加工制造的主要工具，如果傳動結(jié)構(gòu)發(fā)生磨損事故，就會影響零配件加工制造流程的順利進(jìn)行。

機(jī)械磨損引起生產(chǎn)危害的表現(xiàn)：一是故障，傳動結(jié)構(gòu)磨損量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，生產(chǎn)設(shè)備的故障發(fā)生率提高，阻礙了企業(yè)生產(chǎn)活動的持續(xù)性；二是效率，產(chǎn)品加工效率與預(yù)期的產(chǎn)量指標(biāo)不一致，返工處理次數(shù)增多，而影響了生產(chǎn)效率。

2 齒輪傳動的抗磨損設(shè)計

齒輪傳動是機(jī)械設(shè)備典型的傳動機(jī)構(gòu)，屬于兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機(jī)械傳動。齒輪傳動由兩個大小不一的齒輪配件組成（如圖1），并且按照適當(dāng)比例，設(shè)計出輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓等重要參數(shù)。

圖1 齒輪傳動圖示

齒輪作為傳動機(jī)構(gòu)，是提供動力的主要部分，其磨損量偏差，容易損壞機(jī)械設(shè)備的操控性能，以及運行期間故障發(fā)生率提高等問題。目前，齒輪傳統(tǒng)分為閉式、開式兩種，抗磨損設(shè)計方案，需根據(jù)不同的情況而定。

（1）閉式齒輪傳動。造成齒輪傳動磨損的主要機(jī)理，是由于兩齒輪表面接觸產(chǎn)生摩擦力，持續(xù)運行后，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，金屬配件放熱過程引起高溫，而磨損了齒輪。閉式齒輪傳動的抗磨損設(shè)計，應(yīng)重點加強(qiáng)齒輪結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度，使齒輪在動力運行中發(fā)揮出較好的強(qiáng)度性能[2]。如：選材設(shè)計應(yīng)用高強(qiáng)度的金屬材質(zhì)，維持齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的正常狀態(tài)；兩齒輪均為硬齒面，且齒面硬度相同時，抗磨損設(shè)計要結(jié)合具體的設(shè)備情況而定。

（2）開式齒輪傳動。與閉式齒輪傳動相對應(yīng)的是開式齒輪傳動，這種傳動結(jié)構(gòu)抗磨損設(shè)計的關(guān)鍵在于維持齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，以達(dá)到抵抗磨損危害的作用。如：設(shè)計人員按照企業(yè)機(jī)械生產(chǎn)的作業(yè)荷載，以及設(shè)備運行規(guī)模的大小，為了延長開式齒輪傳動的壽命，可視具體需要而將所求得的模數(shù)適當(dāng)增大?？舍槍﹂_式齒輪傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計潤滑結(jié)構(gòu)，選擇合適的潤滑油進(jìn)行潤滑處理，降低齒輪運行時產(chǎn)生的磨損，或事先對材料熱化處理，以減小其粗糙度。

3 鏈傳動的抗磨損設(shè)計

鏈傳動的核心構(gòu)件，是鏈條、鏈輪，利用鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力，傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式（如圖2）。

圖2 鏈傳動結(jié)構(gòu)

從傳動效率判斷，鏈傳動在組合結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，選擇了兩個鏈輪作為受力的載體，由于鏈輪處于固定狀態(tài)，傳動時很少出現(xiàn)松動、位移等問題。但鏈傳動的磨損率較高，易產(chǎn)生噪聲、振動等，且鏈條在高速傳動狀態(tài)下易斷裂。其抗磨損設(shè)計如下：

（1）鏈輪齒數(shù)。設(shè)計齒數(shù)需參照鏈傳動的荷載大小，也可根據(jù)鏈輪型號規(guī)定齒數(shù)。大鏈輪，齒數(shù)量較少，方便了鏈條與齒輪之間的配合；而小鏈輪，齒數(shù)多一些為好，有助于提高鏈傳動的運動平穩(wěn)性及減小動載荷。從原則上來說，抗磨損設(shè)計中一般鏈條節(jié)數(shù)為偶數(shù)，鏈傳動組裝則無需使用過渡接頭。為使磨損均勻，提高壽命，鏈輪齒數(shù)最好與鏈節(jié)數(shù)互質(zhì)。

（2）鏈條節(jié)距。理論研究顯示，鏈傳動中的節(jié)距越大，整個傳動部分承擔(dān)荷載的性能越好。實際應(yīng)用情況卻是相反的，鏈條節(jié)距變大，鏈輪在高速轉(zhuǎn)動下的沖擊力也隨之增大，對鏈傳動構(gòu)件的耗損越嚴(yán)重。這一特點，為抗磨損改造設(shè)計提供了指導(dǎo)。設(shè)計時應(yīng)盡可能選用小節(jié)距的鏈，重載時選取小節(jié)距多排鏈的實際效果，往往比選取大節(jié)距單排鏈的效果更好。

（3）中心距和鏈長。鏈傳動機(jī)構(gòu)的中心距大小與鏈條長度，決定了機(jī)械傳動的運行效率，以及鏈條與鏈輪之間所形成摩擦力的大小。考慮到鏈輪受磨損程度的控制，設(shè)計中需嚴(yán)格控制中心距與鏈條的長度。一般可取中心距

最大中心距≤80 p。

鏈條長度用鏈的節(jié)數(shù)表示[3]。按帶傳動求帶長的公式，可導(dǎo)出由此算出的鏈節(jié)數(shù)，須圓整為整數(shù)，最好取為偶數(shù)。

4 其他傳動機(jī)構(gòu)的抗磨損設(shè)計

隨著我國工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械自動化生產(chǎn)逐漸取代了傳統(tǒng)產(chǎn)品加工制造模式，大量先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備，得到了推廣應(yīng)用。除了齒輪傳動、鏈傳動，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)抗磨損設(shè)計還需注意繩帶傳動、蝸輪蝸桿傳動的抗磨損設(shè)計，這兩種結(jié)構(gòu)是新型機(jī)械設(shè)備比較常見的組合形式。

（1）繩帶傳動。這是一種利用摩擦力的傳動方式，由主動輪、從動輪、傳輸帶等三大結(jié)構(gòu)組成。繩帶傳動具備結(jié)構(gòu)簡單、組裝便捷、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，適用于中小型機(jī)械傳動設(shè)備。因長時間處于高速運轉(zhuǎn)工作條件，繩帶傳動同樣面臨著磨損問題，尤其是皮帶磨損較大。設(shè)計改良方案，應(yīng)結(jié)合主動輪、從動輪的運行要求，選擇高性能皮帶以維持良好的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，兩個動輪的間距大小也要嚴(yán)格控制。

（2）蝸輪蝸桿傳動。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，蝸輪與蝸桿在其中間平面內(nèi)，相當(dāng)于齒輪與齒條，蝸桿又與螺桿形狀相似。蝸輪蝸桿采用了旋轉(zhuǎn)式螺旋結(jié)構(gòu)，兩個組件配合運行，需要承受的力學(xué)荷載更大，蝸輪蝸桿的磨損量更多[4]。為了避免傳動磨損問題，蝸輪蝸桿改良設(shè)計，要考慮蝸輪桿的長度，保持與蝸輪周長一致，避免尺寸標(biāo)準(zhǔn)不一，造成的過載傳輸。

5 結(jié)束語

總之，源自于各方面的競爭壓力，導(dǎo)致機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)營面臨巨大的挑戰(zhàn)，往往約束了企業(yè)長期經(jīng)營目標(biāo)的實現(xiàn)。針對傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改造，有助于改善設(shè)備生產(chǎn)運行的性能，降低成套設(shè)備故障的發(fā)生率?？鼓p設(shè)計，是機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的重要改良措施，設(shè)計人員必須要參照傳動機(jī)構(gòu)的性能特點，加強(qiáng)抗磨損結(jié)構(gòu)的改良處理。

[1]魏永英.機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)磨損現(xiàn)象造成的危害分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2010，26（12）：54-56.

[2]冀曉紅，郭 紅.基于計算機(jī)平臺機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)三維模型的建立[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011，19（7）：43-45.

[3]姜曉陽.齒輪傳動結(jié)構(gòu)的機(jī)械特點及設(shè)計要點研究[J].中國重型裝備，2011，23（6）：17-18.

[4]何靜生.機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)中鏈傳動與繩帶傳動性能的對比[J].青島科技大學(xué)學(xué)報，2011，30（7）：44-45.