基于过盈配合的马达齿轮修复方法

冯映科

(宝武装备智能科技有限公司湛江分公司 广东 湛江 524000)

一、引言

冶金设备长期处于比较恶劣的运行环境之中，在设备的运行过程中因为各种因数易导致设备出现磨损及故障，使其使用周期严重缩短[1]。马达齿轮一般都处于高负荷的环境下运行，其内孔径容易损坏，使局部传动失效，由于该类型的轴内孔径较小，作业空间受限制，无法采用堆焊手段作业，难以达到修复的目的，导致马达齿轮无法使用而直接报废，造成生产成本的增加。过盈配合作为传动力的一种有效的连接方式，在机械制造领域中较为常用，它具有结构简单，操作便捷的特点，而且具有较高的承载能力和良好的定心性的优点，能够保证机械设备运行的安全可靠性[2]。本文采用过盈配合的方法来修复马达齿轮的孔位，替代焊接修复。

二、修复方法分析

如图1所示，驱动齿轮配合驱动马达使用，通常因为受到较大正反转的载荷，造成孔径磨损变大，且造成键槽位置损坏，如图2所示。驱动齿轮的孔径为65mm，深度为80mm，无论采用常规的气保焊还是普通焊条堆焊，深度大于40mm以后的部位无法正常操作，因此采用过盈配合的修复方法。

图1 马达齿轮主要尺寸示意图

图2 马达齿轮孔位损坏图

马达齿轮修复过程的主要步骤：

步骤1：将损坏的Φ65扩至Φ90mm，光洁度为1.6。

步骤2：将锻件的钢棒加工至Φ90mm，光洁度为1.6。

步骤3：采用径向过盈装配，将钢棒装配到位。

步骤4：按图纸要求加工Φ65mm及键槽。

采用马达齿轮图纸的相关技术参数作为依据，马达齿轮的外形接近圆柱模型，为了简化计算模型，将其简化为圆柱模型，忽略马达齿轮外形和左端的影响，按照文献[3]计算过盈配合的量。

表1 马达齿轮的技术参数

马达齿轮的额定转动力矩为2900N.m，计算出传递力矩T=2900N.m所需最小的压强为：

(1)

其中，查得文献[3]确定摩擦系数μ=0.1，Pfmin=90mm，lf=80mm，代入相关数值得到Pfmin=50.104MPa。

计算传递载荷所需的最小过盈，包容件传递载荷所需的最小直径变化量。

(2)

经计算可得其数值为0.035mm。

被包容件传递载荷所需的最小直径变化量：

(3)

(4)

传递载荷所需最小有效过盈量为：

δemin=eamin+eimin=0.063mm

(5)

对连接件不产生塑性变形时候计算最大有效过盈。两个材料均为塑性，由公式(6)计算得到：

对包容件不产生塑性变形时候计算所允许的最大结合力：

(6)

对被包容件不产生塑性变形时候计算所允许的最大结合力：

(7)

当连接件不产生塑性变形时候计算所允许的最大结合力：

(8)

当包容件不产生塑性变形时候计算所允许的最大直径变化量：

(9)

经计算，该过盈量为0.61mm。结合车间的实际生产情况，采用径向装配。等径向装配冷却后，再进行焊接。

为了保证马达齿轮承受冲击载荷，文献[4]焊缝强度标准，计算焊缝承载能力。该焊接坡口开双边V，根据齿轮马达主要承受扭转力矩，忽略其他因素来考虑焊缝的工作强度，焊缝主要受到剪切应力。计算焊缝抗剪切应力强度的公式(10)：

(10)

其中,T=2900N.m，a=5mm,R=45mm。计算结果τ≈43Mpa，采用J507的焊条焊接，J507抗剪能力为300MPa，可满足其要求。

三、过盈配合的仿真分析

利用SolidWorks软件建立马达齿轮和圆柱的三维模型，简化马达尺寸的模型，将马达齿轮的齿形和倒角忽略，并从SolidWorks工具中导入到ANSYS workbench，采用静力学分析。根据GB/T 3077-2015标准，定义马达齿轮和修复圆柱的材料为42CrMo，常温下的金属弹性模量和力学性能表如表2所示：

表2 马达齿轮和修复圆柱常温下的金属弹性模量和力学性能

分别采用过盈量0.063mm、0.61mm、0.15mm进行静力学分析。过盈装配环境温度为22℃，将接触类型改为摩擦接触“Frictional”,输入摩擦因数0.1,并将接触行为设置为非对称接触“Asymmetric”,在偏置中输入对应的过盈量。其仿真的结果如图3、4、5所示。

图3 0.063mm过盈量时的等效应力云图

图4 0.61mm过盈量时的等效应力云图

图5 0.15mm过盈量时的等效应力云图

从图3至图5可知，过盈配合接触应力是平均匀分布，中间部分应力最小，边缘部位的应力最大，集中应力明显，符合过盈配合实际的应力分布，可采用倒角来缓解边缘应力集中现象。

由于过盈配合，结合面处产生较大的应力。经过盈配合方法修复后的马达齿轮既要有充足的联接强度和材料强度，并且能够正常稳定的工作。从图3可以知，过盈量0.063mm出现在过盈配合的两端边缘，其最大的等效应力约为118MPa，这是保证最小的扭矩；从图4可以知，过盈量0.61mm出现在过盈配合的两端边缘，其最大的等效应力约为954MPa，这与理论计算的数值较为接近，说明仿真的结果具有指导意义；结合车间实际情况，采用径向装配的较大过盈量，图5过盈量0.15mm最大的等效应力约为281MPa，装配后的材料等效盈利相对材料的屈服强度较小，可采用焊接进一步加强。经修复后的马达齿轮(如图6所示)上线使用，使用寿命可达到新的零件寿命。

图6 修复后的马达齿轮

四、结束语

马达齿轮的内孔径采用过盈配合的方法修复，并根据工件的特点焊接加强，保证修复后的马达齿轮能够满技术参数要求，延长使用的寿命。马达齿轮属于常见的冶金设备，工作面属于回转体，采用过盈配合的思路，再结合其他常规手段，让修复后的零部件达到正常使用的效果，从而减少现场零部件备用的库存量，同时降低了生产的运营成本，增加了企业的效益。这也为修复同类的冶金设备提供了一种新思路。