浅析重载传动齿轮“绿色”修复技术

2019-01-19高德柱杜文清张坤

中国设备工程 2019年11期

高德柱，杜文清，张坤

（1.鞍钢股份有限公司线材厂，辽宁鞍山 114042；2.郑州机械研究所有限公司，河南郑州 450052）

重载齿轮经常会在超负荷状态下进行运转，受强冲击、高温、高转速、环境污染等复杂工况影响，齿面点蚀磨损、胶合、断齿为其主要损坏形式。一般来说，在齿面出现轻度或者是中度点蚀磨损的情况，其传动状态可以继续保持，但是如果出现中度的磨损甚至是剥落，最终会导致断齿，造成停机。对于工业企业来说，重载传动齿轮都是核心设备部件，制造费用和成本都很高，且制造周期较长，一旦出现齿轮的重度损坏，会给企业带来严重的经济损失。随着工程技术的不断发展，为控制企业的资源浪费，绿色化再生技术应用越来越多，对于重载传动齿轮的绿色修复技术也在不断提高，对相关的企业具有非常大的影响，因此，需要加强对修复技术的重视，探讨出适合现代企业发展的修复技术，从而取得更大的经济效益和社会效益。

1 齿轮失效的状况分析

齿轮传动在设备运转中占据着重要的位置，重载传动齿轮主要是用来传递运动的，因此，其质量的好坏与寿命的长短会对企业的经济效益造成直接的影响。齿轮在进行运转的过程中，自身受载荷作用力，另外再加上外界的冲击载荷、润滑不良、腐蚀等因素的影响，就会让齿轮在运行的过程中出现一定的磨损和缺陷，轻度和中度的磨损还可以继续维持几年，但是严重的磨损就有可能让齿轮出现失效报废的情况。

（1）齿面塑性变形。因过载或瞬间的冲击载荷，使齿面局部产生塑性变形，进而影响到齿轮的质量。该缺陷多数发生在齿面硬度偏低的齿轮上，硬化层比较薄，有时由于接触带偏齿顶，齿面靠齿顶圆处容易产生凸边。钢厂轧钢机开轧钢板瞬间软齿面齿轮，当瞬间突然大幅度加载时，就有可能出现齿面局部塑性变形。

（2）齿面磨损。齿轮的磨损是齿轮常见的问题，齿轮的运转速度对齿面有着重要的影响，运转的速度如果过低和过高都会让齿面出现磨损，齿轮的表面无法形成良好的油膜就会让金属出现直接的接触，进而出现严重的磨损。齿轮在进行运转的过程中，如果周边的环境较差，就会容易混进一些杂质和颗粒，进而对齿轮造成一定的磨损，出现轻度或者中度的磨损失效。对于冶金重载齿轮来说，基本上都要受到比较大的应力，因此经常会出现重度的磨损失效。

（3）齿面严重点蚀。齿面出现严重点蚀的主要原因就是齿面疲劳。这主要指的是齿轮在进行啮合的过程中，一般会受到接触应力的影响，而且是周期性变化的，在表层内0.786b1深处具有最大剪切应力，当接触应力超过了齿轮工作表面材料的极限之后，在相应的部位就会出现一定的疲劳裂纹，随着周期性的变化，疲劳的裂纹也会慢慢地出现扩展和延伸的现象，进而伴随着小块的金属脱落，慢慢形成了点蚀的小凹陷。

接触疲劳产生的点蚀一般会出现在节点以下的齿面，这个部位的齿轮滚动与滑动的方向是相反的，因此比较容易出现严重的点蚀。齿面的硬度和硬化层的深度与接触疲劳的强度有很大的关系，因此要想对齿面的抗点蚀能力进行增强，就要对齿面的硬度进行提高。

（4）断齿。①过载、瞬间或剧烈的冲击载荷以及严重偏载引起突然断齿。造成这样损坏的主要原因是由于载荷产生的应力超过了材料的强度极限，轮齿被强制撕裂而断裂，其端面金属颗粒清晰。②由于齿轮的循环应力超过材料的疲劳极限所造成的疲劳断齿，断齿情况的主要原因就是弯曲疲劳，因为弯曲疲劳而出现的断齿主要是出现在齿轮的根部，这主要是因为齿轮传递负荷的过程中都是这个部位在承受弯曲的应力，经过长期的负荷之后，就出现了断齿的现象。断口呈光滑疲劳波纹，在粗糙的、参差不齐的小面积处，是齿轮最后断裂的部分。③由于齿面点蚀扩张引起的裂纹断齿。裂纹源于齿面点蚀坑，断口呈疲劳波纹状。

（5）齿面胶合。受齿面负载较大，齿间润滑油因摩擦发热，使油质变稀薄，造成油膜破裂，导致齿面金属直接接触，发生强烈摩擦，以致熔化在一起，进而撕裂引起表面损伤，这种现象称之为胶合。

2 齿轮的修复技术和方法

随着工业技术的不断发展，各种工业修复技术都在进行改进和创新，各国的专家也都在进行研究和分析。

（1）冷焊法。冷焊技术是一种金属修复的新工艺，是工程设备进行维修和防护的重要技术，它能够延长设备的使用寿命，对相关企业的发展具有重要作用。近年来，随着各种工业修补材料的不断研发，很多高强度的复合材料都被广泛地运用，在对齿轮的修复中，使用高强度结构的胶把断齿进行冷焊修复，能够让断齿更加牢固，并且具有较长的使用寿命。

（2）调整换位法。调整换位法就是将已经磨损的齿轮变换方向，使用齿轮还没有出现磨损或者磨损还比较轻微的位置继续工作，这样的方式是比较适合单向运转受力所造成的齿轮磨损。对于结构对称的单面磨损齿轮来说，可以使用直接翻转180°进行重新安装和使用，但是对于结构不对称的齿轮，可以在另一端使用焊装等方式，添加上合适的结构，再进行翻转，然后再安装和使用。如果不想添加结构，也可以将在安装齿轮的轴上加垫圈进行调整，进而把齿轮调整到合适的位置，然后再使用就可以保证齿轮能够正常啮合了。一般来说，圆锥齿轮和具有正反转的齿轮是不能使用这种方法进行修复的，一定要注意这一点。

（3）镶齿修复法和堆焊修复法。一般来说，对于负荷不是很大或者转速不是很高的齿轮，可以将个别的齿轮打掉，在进行修复的时候，把坏齿轮的根部在刨床上刨出梯形槽，进而将新齿胚紧紧压入，然后对其进行焊接或者是螺栓连接，将其进行加工和整形，成为合适的齿轮。但是对于冶金的重载齿轮来说，经常会出现个别齿轮严重磨损的情况，如果不进行及时修复，就会对整个设备的运行造成影响，进而影响企业的收益，在这样的情况下，比较简单的齿轮修复方法就是堆焊修复法。具体来说，就是根据齿轮损坏的具体情况，在齿轮的整个或者部分进行堆焊一层或者多层技术，主要可以分为电焊和气焊两种，这种方式操作比较简单并且修复效果不错。

（4）镶齿圈修复法。一般齿轮出现磨损后，可以使用更换齿圈的方式进行修复。首先是对齿轮的全部齿轮进行修复，通过重新制造齿圈来压装在原有齿轮的位置，同时为了保证齿轮能够固定不产生松动，可以在齿圈和齿轮的结合处进行点焊，或是采用钻孔的方式利用稳钉进行固定。在使用齿圈修复法的时候，还要根据实际情况，对齿轮的磨损进行观察，进而使用合适的材质制造新的齿圈，保证齿轮的使用强度，进而保证齿轮整体的质量。

3 如何提高冶金重载齿轮的使用寿命

（1）合理的设备布局和正确的安装。设备的布局和安装要考虑到生产工艺，同时还要重视零件的受力情况，要使齿轮的荷载平稳，并且尽量减少冲击负荷，进而提高其使用寿命。另外，不管是在设计布局还是安装的过程中，都要重视对设备的维护和管理，尽可能减少因为外力而出现的问题。

（2）选择恰当的齿轮强度。冶金设备的工作环境一般是比较差的，因此经常会因为外界因素而出现齿轮负荷加重的情况。在对齿轮的接触轻度和弯曲强度进行选择时，要对相关的资料和经验进行对比和参考，尽可能保证强度的精确性，减少误差，让齿轮可以达到设计的寿命年限。

（3）合理选择齿轮的材料。齿轮的接触应力和弯曲应力一般都与齿轮的强度有关，硬齿面的应力可以提高齿轮的承载能力，在相同的情况，硬齿轮比软齿轮要有更高的使用寿命，尤其是对于高速运转的齿轮或者重载齿来说，就更是如此。因此，在对齿轮的材料进行选择的时候，要在保证齿轮精度的情况下，优先选择硬齿轮，并且要对其加工和制造的技术进行重视。