基于過盈配合的馬達(dá)齒輪修復(fù)方法

馮映科

(寶武裝備智能科技有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524000)

一、引言

冶金設(shè)備長期處于比較惡劣的運(yùn)行環(huán)境之中，在設(shè)備的運(yùn)行過程中因?yàn)楦鞣N因數(shù)易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)磨損及故障，使其使用周期嚴(yán)重縮短[1]。馬達(dá)齒輪一般都處于高負(fù)荷的環(huán)境下運(yùn)行，其內(nèi)孔徑容易損壞，使局部傳動(dòng)失效，由于該類型的軸內(nèi)孔徑較小，作業(yè)空間受限制，無法采用堆焊手段作業(yè)，難以達(dá)到修復(fù)的目的，導(dǎo)致馬達(dá)齒輪無法使用而直接報(bào)廢，造成生產(chǎn)成本的增加。過盈配合作為傳動(dòng)力的一種有效的連接方式，在機(jī)械制造領(lǐng)域中較為常用，它具有結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷的特點(diǎn)，而且具有較高的承載能力和良好的定心性的優(yōu)點(diǎn)，能夠保證機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性[2]。本文采用過盈配合的方法來修復(fù)馬達(dá)齒輪的孔位，替代焊接修復(fù)。

二、修復(fù)方法分析

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)齒輪配合驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使用，通常因?yàn)槭艿捷^大正反轉(zhuǎn)的載荷，造成孔徑磨損變大，且造成鍵槽位置損壞，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)齒輪的孔徑為65mm，深度為80mm，無論采用常規(guī)的氣保焊還是普通焊條堆焊，深度大于40mm以后的部位無法正常操作，因此采用過盈配合的修復(fù)方法。

圖1 馬達(dá)齒輪主要尺寸示意圖

圖2 馬達(dá)齒輪孔位損壞圖

馬達(dá)齒輪修復(fù)過程的主要步驟：

步驟1：將損壞的Φ65擴(kuò)至Φ90mm，光潔度為1.6。

步驟2：將鍛件的鋼棒加工至Φ90mm，光潔度為1.6。

步驟3：采用徑向過盈裝配，將鋼棒裝配到位。

步驟4：按圖紙要求加工Φ65mm及鍵槽。

采用馬達(dá)齒輪圖紙的相關(guān)技術(shù)參數(shù)作為依據(jù)，馬達(dá)齒輪的外形接近圓柱模型，為了簡化計(jì)算模型，將其簡化為圓柱模型，忽略馬達(dá)齒輪外形和左端的影響，按照文獻(xiàn)[3]計(jì)算過盈配合的量。

表1 馬達(dá)齒輪的技術(shù)參數(shù)

馬達(dá)齒輪的額定轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為2900N.m，計(jì)算出傳遞力矩T=2900N.m所需最小的壓強(qiáng)為：

(1)

其中，查得文獻(xiàn)[3]確定摩擦系數(shù)μ=0.1，Pfmin=90mm，lf=80mm，代入相關(guān)數(shù)值得到Pfmin=50.104MPa。

計(jì)算傳遞載荷所需的最小過盈，包容件傳遞載荷所需的最小直徑變化量。

(2)

經(jīng)計(jì)算可得其數(shù)值為0.035mm。

被包容件傳遞載荷所需的最小直徑變化量：

(3)

(4)

傳遞載荷所需最小有效過盈量為：

δemin=eamin+eimin=0.063mm

(5)

對(duì)連接件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)候計(jì)算最大有效過盈。兩個(gè)材料均為塑性，由公式(6)計(jì)算得到：

對(duì)包容件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)候計(jì)算所允許的最大結(jié)合力：

(6)

對(duì)被包容件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)候計(jì)算所允許的最大結(jié)合力：

(7)

當(dāng)連接件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)候計(jì)算所允許的最大結(jié)合力：

(8)

當(dāng)包容件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)候計(jì)算所允許的最大直徑變化量：

(9)

經(jīng)計(jì)算，該過盈量為0.61mm。結(jié)合車間的實(shí)際生產(chǎn)情況，采用徑向裝配。等徑向裝配冷卻后，再進(jìn)行焊接。

為了保證馬達(dá)齒輪承受沖擊載荷，文獻(xiàn)[4]焊縫強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算焊縫承載能力。該焊接坡口開雙邊V，根據(jù)齒輪馬達(dá)主要承受扭轉(zhuǎn)力矩，忽略其他因素來考慮焊縫的工作強(qiáng)度，焊縫主要受到剪切應(yīng)力。計(jì)算焊縫抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度的公式(10)：

(10)

其中,T=2900N.m，a=5mm,R=45mm。計(jì)算結(jié)果τ≈43Mpa，采用J507的焊條焊接，J507抗剪能力為300MPa，可滿足其要求。

三、過盈配合的仿真分析

利用SolidWorks軟件建立馬達(dá)齒輪和圓柱的三維模型，簡化馬達(dá)尺寸的模型，將馬達(dá)齒輪的齒形和倒角忽略，并從SolidWorks工具中導(dǎo)入到ANSYS workbench，采用靜力學(xué)分析。根據(jù)GB/T 3077-2015標(biāo)準(zhǔn)，定義馬達(dá)齒輪和修復(fù)圓柱的材料為42CrMo，常溫下的金屬彈性模量和力學(xué)性能表如表2所示：

表2 馬達(dá)齒輪和修復(fù)圓柱常溫下的金屬彈性模量和力學(xué)性能

分別采用過盈量0.063mm、0.61mm、0.15mm進(jìn)行靜力學(xué)分析。過盈裝配環(huán)境溫度為22℃，將接觸類型改為摩擦接觸“Frictional”,輸入摩擦因數(shù)0.1,并將接觸行為設(shè)置為非對(duì)稱接觸“Asymmetric”,在偏置中輸入對(duì)應(yīng)的過盈量。其仿真的結(jié)果如圖3、4、5所示。

圖3 0.063mm過盈量時(shí)的等效應(yīng)力云圖

圖4 0.61mm過盈量時(shí)的等效應(yīng)力云圖

圖5 0.15mm過盈量時(shí)的等效應(yīng)力云圖

從圖3至圖5可知，過盈配合接觸應(yīng)力是平均勻分布，中間部分應(yīng)力最小，邊緣部位的應(yīng)力最大，集中應(yīng)力明顯，符合過盈配合實(shí)際的應(yīng)力分布，可采用倒角來緩解邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由于過盈配合，結(jié)合面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。經(jīng)過盈配合方法修復(fù)后的馬達(dá)齒輪既要有充足的聯(lián)接強(qiáng)度和材料強(qiáng)度，并且能夠正常穩(wěn)定的工作。從圖3可以知，過盈量0.063mm出現(xiàn)在過盈配合的兩端邊緣，其最大的等效應(yīng)力約為118MPa，這是保證最小的扭矩；從圖4可以知，過盈量0.61mm出現(xiàn)在過盈配合的兩端邊緣，其最大的等效應(yīng)力約為954MPa，這與理論計(jì)算的數(shù)值較為接近，說明仿真的結(jié)果具有指導(dǎo)意義；結(jié)合車間實(shí)際情況，采用徑向裝配的較大過盈量，圖5過盈量0.15mm最大的等效應(yīng)力約為281MPa，裝配后的材料等效盈利相對(duì)材料的屈服強(qiáng)度較小，可采用焊接進(jìn)一步加強(qiáng)。經(jīng)修復(fù)后的馬達(dá)齒輪(如圖6所示)上線使用，使用壽命可達(dá)到新的零件壽命。

圖6 修復(fù)后的馬達(dá)齒輪

四、結(jié)束語

馬達(dá)齒輪的內(nèi)孔徑采用過盈配合的方法修復(fù)，并根據(jù)工件的特點(diǎn)焊接加強(qiáng)，保證修復(fù)后的馬達(dá)齒輪能夠滿技術(shù)參數(shù)要求，延長使用的壽命。馬達(dá)齒輪屬于常見的冶金設(shè)備，工作面屬于回轉(zhuǎn)體，采用過盈配合的思路，再結(jié)合其他常規(guī)手段，讓修復(fù)后的零部件達(dá)到正常使用的效果，從而減少現(xiàn)場零部件備用的庫存量，同時(shí)降低了生產(chǎn)的運(yùn)營成本，增加了企業(yè)的效益。這也為修復(fù)同類的冶金設(shè)備提供了一種新思路。