简述机械结构设计中抗磨损的改造方案

摘要： 不论任何机械，在运转的过程中机械结构磨损问题，同时也是比较常见的问题。这类问题通常集中在齿轮传动磨损和链条传统磨损两大方面，磨损问题会使机械设备在运转中出现性能危害、安全危害，同时会对生产质量、效率造成影响。本文围绕机械结构中比较常见磨损做出分析，并重点介绍齿轮传动磨的改造方案，并以H 钢铁集团125 t 吊车中的开始齿轮为实例，阐述抗磨损改造方案。

关键词： 机械结构；抗磨损设计；改造方案
当前，在我国的国民生产中，机械自动化的生产方式已经受到广泛应用，多数生产企业都依赖于机械设备进行加工制造，而在生产的过程中，机械磨损一直是多数企业比较关注的问题，作为机械核心部分的传动机构，负责为机械各机构传输动能，为机械提供运转能力，传动机构的磨损过度，是机械构造抗磨损改造的重点内容，它直接影响着机械设备结构的性能，更关乎着制造企业的生产效率，生产成本以及产品品质等多项指标。
1. 传动机构磨损带来的危害
当前我国生产性加工企业，已随着经济化发展进行制造模式的彻底改革，将大量的机器设备引入，负责产品的辅助加工，自动化的生产，带动了生产企业的经营效益。同时，现有生产企业已经逐渐高度依赖机械设备生产加工，进而导致机械结构出现各种磨损情况，在这其中，传动磨损对机械本身、企业生产所带来的危害最为严重。
1.1 性能危害
机械设备的传动机构，由多个传动配件进行组成，作为机械结构中的重要核心部分，其承担着动力传输，动力调节的工作。传动机构一旦磨损量加大，会直接使传动机械的运转性能降低，失去对动力的调控性能，进而使机械设备无法按照指令完成相应作业。例如，在机械设备的齿轮传动结构里，齿轮的大小、尺寸因运转中高温磨损发生变化，导致齿轮之间的配合失去紧密度，形成齿距的误差偏大问题，将对机械设备的运行效率带来不良影响。
1.2 生产危害

机械设备是当前大多数生产企业主要依赖的生产工具。当机械设备的传动结构发生磨损事故，则会对机械其部件的加工制造流程造成严重影响，其主要体现方面为以下几点：
1.2.1 机械故障

当机械设备的传动结构磨损量超出了标准范围，会使设备的故障发生概率提高，破坏制造企业生产的持续性。
1.2.2 生产效率

传动机构磨损会造成机械无法正常按指令进行加工，进而影响产品加工效率加工质量，直接造成产量降低，产品返工处理次数增多，企业生产效率降低。

1.3 安全危害

机械设备零配件磨损超出标准范围，容易引起机械零部件瞬间性脆裂现象，使机械在运转途中发生突发性故障，将机械内部机构动力传输秩序扰乱。例如设机械备中的链传动，链传动是以链条来带动齿轮进行运转，当链条和齿轮发生过度磨损，会降低二者之间配合的紧密型，最终导致金属链条断裂，引起机械设备突发性故障。另外，若机械设备正处于高速运转途中，金属链条断裂飞出，对机械设备的其他零部件，甚至是操作人员的人身安全都会造成巨大安全隐患[1]。

2. 机械结构中的齿轮传动改造
齿轮传动，指齿轮与齿轮之间相互啮合作业，进行动力传动的一种机械传动，是机械设备中较为典型的传动机构，通常情况下齿轮传动是由两个或多个大小不一的齿轮组合而成，并依据比例对齿轮的齿槽、断面、齿顶圆、齿根、端面以及法面进行设计，图 1 为两个齿轮组成的齿轮传动机构。
齿轮传动机构_论文发表

图 1 齿轮传动机构
为了更加深入解析如何通过改造方案使齿轮磨损有效减少，本文以武汉 H 钢铁集团第二炼钢炉使用的 125 t 吊车主卷提升机中的开式齿轮为例，深入分析齿轮的改造方案。
H 钢铁集团第二炼钢炉所使用的 t125 吊车，其主卷提升机中的开式齿轮，根据统计其使用寿命普遍仅为 5 个月以内，情况严重时仅 3 个月时间，齿轮的齿厚磨损度就达到报废标准，同时，机构中的大型开式齿轮使用寿命也普遍未超过 1 年，导致 H 钢铁集团对125 t 吊车频繁更换齿轮，耗费大量的维修成本。针对这一问题，H 钢铁集团先后采用了齿轮面渗氮提高、自动输送润滑油等方案，其效果都不理想。随后的多年时间里，H 钢铁集团始终针对该项问题与国内机械研究所进行联合研究，最终采用了如下改造方案：
2.1 选材及热处理

经过研究，含碳量、合金的成分，对齿轮耐磨会起到很大影响，在想通硬度热处理条件下，含碳量会有效促进材料的耐磨性增加，同时合金中 Cr 和 Mo，会与碳形成一种碳化物，对于钢材料的耐磨性会有效提高。125 t 吊车原齿轮使用的是 25SiMn 材料，而新的材料则选用 40CrMnMo、40CrNiMo 两种材料，想必 25SiMn，新材料的疲劳强度极限，冲击韧性有大幅度提高。
2.2 改善摩擦状态
H 钢铁集团在围绕改善摩擦问题上，从三方面入手，第一方面为在保证齿轮弯曲强度前提上，将齿轮几何参数进行调整，将以往的标准齿轮调整为变为齿轮，最大限度将齿面相对滑动率减少。另一方面是将润滑剂条件进行改善，齿面采用固体润滑剂进行镀膜，在齿轮运转阶段，采用抗磨极压润滑剂，致使齿面长时间存有物理吸附膜和化学反映膜，润滑状态始终处于良好。其次，H 钢铁集团改变了齿面的形貌，提高了齿面的光洁度、齿面精度，最大化增加齿面的接触面积，减小剪切阻力。
2.3 改造结果
H 钢铁集团通过上述改造方案，加工了第一批齿轮并投入使用，与之前齿轮寿命相比，这一次使用了新材料、新设计的齿轮在使用寿命上有了质的飞跃，小齿轮平均使用寿命由改造前的 3–5 个月提高至 3 年以上，大齿轮由过去的 1 年提升至平均使用寿命 5 年以上，根据详细数据统计，改造前，小齿轮 3 个月齿厚磨损为 4 毫米，改造后 3 个月磨损仅为 0.42 毫米，在使用 3 年后对小齿轮进行更换，其磨损程度仍未达到报废标准，即 5—7 毫米，每台 125 t 吊车平均每年节约维修成本近 100 万人民币，在提高生产效率同时，有效节约了生产成本。

3. 其他传动抗磨损改造设计

3.1 链传动磨损
链传动是由链条和两轮构建组合而成，其工作原理为利用链条将链轮的运动、动力传递到从动链轮上。针对链传动的抗磨损设计，包含了对链轮的设计和链条的设计，链传动抗磨损设计结构如图 2 所示。

图2 链传动抗磨损设计结构图
（注：1. 内链板；2. 外链板；3. 销轴；4. 套筒；5. 滚子）
在链条转动的过程中，因链轮通常都是处于固定的状态，因此在链条的带动下，偶尔会发生位移、松动等不良问题，有时在高速运转中，会发生链条突然断裂问题。基于以上问题，对链传动的抗磨损设计、改造，要围绕以下两点入手，即①链轮齿数：小号链轮应设置多齿数，大号链轮设置少齿数，齿数选择为偶数，链条节数与链轮齿数要互为质数；②链条节数：减小链条节距，种菜条件下采用多排链条 [2]。
3.2 绳带传动磨损
绳带传动由主动轮、从动轮、传输带组成，在高速运转中，需要面临绳带磨损问题，尤其是针对皮带，其磨损程度十分言重。针对这一问题，应结合主动、从动轮的运行要求，尽量采用高性能皮带，从而维持良好运转，同时，为减少皮带摩擦，须严格控制主动、从动轮之间的距离，图 3 为绳带传动结构示意图。
绳带传动示意图_论文发表