軋鋼機(jī)中雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李 蕊，沈曉斌，王 亮

(天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津300400)

0 引言

鋼鐵的用途非常廣泛，在國民經(jīng)濟(jì)體制中所發(fā)揮的作用是至關(guān)重要的。 經(jīng)濟(jì)的迅速增加，鋼鐵生產(chǎn)的水平是衡量一個(gè)國家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)4 個(gè)現(xiàn)代化水平得重要標(biāo)志。 而在鋼鐵生產(chǎn)過程中， 極少部分是使用鑄造等方法來制成鑄件的，剩下的絕大多數(shù)百分之九十上的鋼鐵都是使用軋鋼機(jī)軋制出來成材的。 更有甚者，一些鋼材并不是直接由鑄鋼車間生產(chǎn)，但也得由軋鋼機(jī)車間提供坯料。 所以，在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)里，作為鋼材生產(chǎn)的最末尾一個(gè)環(huán)節(jié)—軋鋼生產(chǎn)就體現(xiàn)出其至關(guān)重要的作用，軋鋼機(jī)的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)體制中占了至關(guān)重要的位置。軋鋼機(jī)，是實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程的設(shè)備。泛指完成軋材生產(chǎn)全過程的裝備， 其包括有主要設(shè)備、輔助設(shè)備、起重運(yùn)輸設(shè)備和附屬設(shè)備等。 軋鋼機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：齒輪機(jī)座、減速機(jī)、飛輪、聯(lián)接軸、聯(lián)軸節(jié)等部分。 而在軋鋼機(jī)的工作過程中雙圓弧齒輪的使用起到了至關(guān)重要的作用，雙圓弧齒輪相比普通漸開線齒輪有著更多的優(yōu)點(diǎn)。 第一，雙圓弧齒輪的承載能力較大，由于結(jié)構(gòu)相比較更合理，齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度都比較高，相同的尺寸和材料下可以承受更大的載荷；第二，雙圓弧齒輪有著很好的潤滑性能，在傳動(dòng)中更容易在齒面形成動(dòng)壓油膜，這樣可以提高齒輪的壽命；最后，雙圓弧齒輪不存在根切現(xiàn)象， 所以尺寸可以做的更小。所以軋鋼機(jī)雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)研究具有重大的意義。

雙圓弧齒輪是重型設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，其具有傳動(dòng)功率大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)空間小等特點(diǎn)， 近年來在一些高速、重載、大功率的齒輪傳動(dòng)中，被越來越廣泛地應(yīng)用[1]。但是在傳統(tǒng)的雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)過程中，齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算量大， 手工查圖表選擇參數(shù)的過程比較復(fù)雜，合理性也不好保證，經(jīng)常會為了保證傳動(dòng)系統(tǒng)的體積而造成齒輪強(qiáng)度不夠，抑或保證了齒輪強(qiáng)度而造成傳動(dòng)系統(tǒng)體積過大。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會發(fā)生重復(fù)反復(fù)地計(jì)算工作量，大大降低了工程師的工作效率，從而影響產(chǎn)品的時(shí)效性。 為了解決這個(gè)現(xiàn)狀，筆者針對軋鋼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)平臺，開發(fā)了一套雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)軟件。

1 雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

雙圓弧齒輪的失效形式主要是輪齒的彎曲折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合和塑性變形。 由于雙圓弧齒輪受力情況比較復(fù)雜，因此，其強(qiáng)度計(jì)算多以三維應(yīng)力分析和大量的試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)。1992 年我國制訂了《雙圓弧圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13799-1992)，目前雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的，主要包括彎曲強(qiáng)度計(jì)算和接觸強(qiáng)度計(jì)算方法[2]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求來確定一些已知參數(shù)，如：小齒輪傳動(dòng)功率及轉(zhuǎn)數(shù)、滿載工作時(shí)間、傳動(dòng)比、齒輪精度等級、齒形和齒輪材料等，齒輪分布情況及齒面硬度選擇，齒輪使用環(huán)境及潤滑工況選擇，其他數(shù)值皆按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值暫取即可。

2 雙圓弧齒輪傳動(dòng)計(jì)算過程

(1)選擇齒輪材料及參數(shù)，根據(jù)已知條件和暫取數(shù)值計(jì)算重合度εβ(整數(shù)部分με和尾數(shù)部分Δε)；

(2)按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度初定模數(shù)mn；

(3)初定齒輪傳動(dòng)參數(shù)，如中心距a，螺旋角β，小齒輪直徑d1，齒寬b 等；

(4)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度；

(5)校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度；

(6)主要參數(shù)與幾何尺寸計(jì)算，包括：法向模數(shù)mn，端面模數(shù)mt，大小齒輪齒數(shù)z1和z2，螺旋角β，大小齒輪分度圓直徑d1和d2，大小齒輪齒頂圓直徑da1和da2，大小齒輪齒根圓直徑df1和df2，中心距a，以及齒寬b。

以上過程中，涉及的查圖表工作量及計(jì)算量均比較大，稍有疏忽就會造成參數(shù)錯(cuò)誤，需要不斷地驗(yàn)證并修正，再重新校核，這對于人工計(jì)算來說可謂是事倍功半且伴有風(fēng)險(xiǎn)。

3 程序設(shè)計(jì)流程

3.1 軟件平臺

雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在Windows7 32 位系統(tǒng)下VC++6.0 編程， 并利用自帶的MFC 制作友好的用戶交互界面。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

如圖1 所示，整個(gè)過程的查詢圖表和計(jì)算工作均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)流程執(zhí)行。 其中：p 為傳動(dòng)功率，n 為轉(zhuǎn)速，h 為滿載工作時(shí)間，u 為傳動(dòng)比，z1為小齒輪齒數(shù)，a 為齒寬系數(shù)，β為螺旋角，K 為載荷系數(shù)，SFmin為齒根彎曲最小疲勞系數(shù)，SHmin為齒面接觸最小疲勞系數(shù)，εβ為重合度，με和Δε 分別為重合度整數(shù)部分及尾數(shù)部分，a 為中心距，b 為齒寬。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)過程要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行，遇到問題了要做到可回溯，這就涉及到設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)的交互與保存，使整個(gè)過程更清晰和嚴(yán)謹(jǐn)。 在設(shè)計(jì)過程中，有很多參數(shù)和數(shù)值需要通過查詢曲線圖和表格來確定，程序中需要將用到的公式程序化，曲線圖參數(shù)化，表格數(shù)值化，這樣在計(jì)算過程中才能實(shí)現(xiàn)按需調(diào)用。

4.1 數(shù)據(jù)交互和保存

在雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)過程中， 要實(shí)現(xiàn)流程可回溯，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)交互，用戶界面中所有通過輸入的數(shù)值和選擇的選項(xiàng)都會自動(dòng)保存到一個(gè)“config.ini”文件中，用戶打開“輸入已知參數(shù)”界面時(shí)，程序會自動(dòng)讀取該文件中的數(shù)值和選項(xiàng)，設(shè)置完成關(guān)閉界面后，參數(shù)和選項(xiàng)則自動(dòng)保存到該文件中，在設(shè)計(jì)過程中，用戶可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果隨時(shí)修改和更新設(shè)計(jì)參數(shù)，以便得到更優(yōu)化的計(jì)算數(shù)據(jù)。

4.2 曲線圖參數(shù)化

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中， 用到的公式可以用C++寫好后被調(diào)用， 表格也可以用C++做好映射后隨時(shí)被調(diào)用，最為繁瑣的工作就是查曲線圖。 曲線圖的參數(shù)化過程實(shí)際上就是對原有機(jī)械特性曲線的重采樣，擬合度必須無限逼近機(jī)械特性曲線，不能通過做數(shù)據(jù)庫來映射曲線，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫只能做到有限的離散點(diǎn)的映射，筆者提出了用Akima 插值實(shí)現(xiàn)了機(jī)械特性曲線的重采樣[3]，所擬合出來的曲線真實(shí)性好，精度高，在計(jì)算機(jī)上還原了機(jī)械特性曲線，因?yàn)橹夭蓸拥那€是連續(xù)的，故可實(shí)現(xiàn)曲線上任意點(diǎn)的查詢，以下是《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》(齒輪傳動(dòng))上兩個(gè)機(jī)械特性曲線圖與重采樣結(jié)果的對比，分別是第3 章“圓弧齒輪傳動(dòng)”中圖16.3-13 的接觸跡間載荷分布系數(shù)K(1硬齒面)和圖16.3-12(a)的雙圓弧齒輪的接觸跡系數(shù)KΔε，結(jié)果如圖2-圖5 所示。

圖2 接觸跡間載荷分布系數(shù)K1 原始曲線

圖3 Akima 插值重采樣的K1 曲線

圖4 雙圓弧齒輪的接觸跡系數(shù)K△ε 原始曲線

圖5 Akima 插值重采樣的K△ε 曲線

4.3 保存設(shè)計(jì)計(jì)算過程

整個(gè)設(shè)計(jì)過程都是在Windows 平臺上用VC++編程實(shí)現(xiàn)的，只有一個(gè)EXE 可執(zhí)行文件。 在整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，所有的過程都可實(shí)現(xiàn)可視化，計(jì)算步驟及查圖表過程都可顯示在主界面上，增強(qiáng)了用戶設(shè)計(jì)的可交互性，最終的整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程都可以Word 格式形式保存到本地計(jì)算機(jī)上， 相當(dāng)于整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程的詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書，有效地節(jié)省了設(shè)計(jì)人員后期寫設(shè)計(jì)說明書的工作量。

5 雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)軟件使用說明

雙圓弧齒輪軟件的實(shí)際操作過程以《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》(齒輪傳動(dòng))第3 章“圓弧齒輪傳動(dòng)”中8.1 節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例為例。

(1)打開軟件后是一個(gè)軟件簡介及使用方法界面，還包含開發(fā)人員和版本信息等，如圖6 所示；

(2)點(diǎn)擊“開始設(shè)計(jì)”按鈕，進(jìn)入到“參數(shù)設(shè)置”界面，將例程給出的已知條件錄入到相應(yīng)的可編輯框以及下拉框中，確認(rèn)參數(shù)設(shè)置無誤后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，如圖7 所示；

圖6 軟件說明界面

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

(3)在程序設(shè)計(jì)主界面上點(diǎn)擊“開始計(jì)算”按鈕，如圖8 所示。

圖8 程序設(shè)計(jì)主界面

程序進(jìn)入設(shè)計(jì)計(jì)算流程，在這個(gè)過程中有對話框彈出來與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交互，如圖9 所示為中心距調(diào)整對話框，圖10 為齒寬調(diào)整對話框。

圖9 中心距調(diào)整對話框

圖10 齒寬調(diào)整對話框

均圓整修改后點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕以進(jìn)行下一步，然后依照流程會相繼彈出大小齒輪齒根彎曲疲勞極限校核確認(rèn)對話框，大小齒輪齒面接觸疲勞確認(rèn)對話框，如圖11-圖14 所示。

圖11 小齒輪齒根彎曲疲勞極限確認(rèn)對話框

圖12 大齒輪齒根彎曲疲勞極限確認(rèn)對話框

圖13 小齒輪齒面接觸疲勞極限確認(rèn)對話框

圖14 大齒輪齒面接觸疲勞極限確認(rèn)對話框

依次點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕進(jìn)入下一步計(jì)算過程，在確認(rèn)過程中如若發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)小于極限次數(shù)或疲勞極限小于最小疲勞極限，則點(diǎn)擊主界面上“更新已知條件”按鈕實(shí)現(xiàn)回溯設(shè)計(jì)，以達(dá)到滿足設(shè)計(jì)需求條件，最終設(shè)計(jì)結(jié)果及整個(gè)設(shè)計(jì)過程均顯示在主界面上，如圖15 所示，點(diǎn)擊右下角“輸出到WORD”按鈕，則將整個(gè)設(shè)計(jì)過程保存到本地計(jì)算機(jī)指定文件名的WORD 文件中。

圖15 程序計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)束語

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該軟件設(shè)計(jì)流程符合雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)要求， 整個(gè)設(shè)計(jì)過程及參數(shù)選擇嚴(yán)謹(jǐn)合理，能自動(dòng)生成WORD 版設(shè)計(jì)說明書，并且界面友好，使用簡單，對機(jī)械設(shè)計(jì)人員要求不高，極大地提高了設(shè)計(jì)工作的效率，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的大量計(jì)算和查圖表過程。 本論文詳細(xì)闡述了利用VC++編程進(jìn)行軋鋼機(jī)雙圓弧齒輪系統(tǒng)的開發(fā)流程，開發(fā)了雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)軟件，提高了雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，大大降低了設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動(dòng)和縮短了設(shè)計(jì)周期。 對于軋鋼機(jī)重要機(jī)構(gòu)雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)提供了很好的設(shè)計(jì)理念和軟件應(yīng)用工具， 極大提高了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，對于今后研究軋鋼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)都具有一定的參考價(jià)值。