機械結構設計中抗磨損的改造方法

周云其

(寧波永望電子科技有限公司，浙江 寧波 315175)

伴隨著機械自動化生產方式的廣泛應用，生產型企業更加依賴于機械設備的加工制造。鑒于機械結構磨損，對成套設備造成的不利影響，需及時設計有效的抗磨損方法，優化改造機械設備的應用性能，降低實際生產故障的發生率。

保護好機械設備結構性能，關系著生產效率、產品品質、加工成本等多項指標的控制。機械結構決定了成套設備的運轉性能，也是設計環節中需要嚴格控制的構造內容。傳動結構，是設備的核心組成部分，負責傳輸各類動能以提供機構運轉，從局部上協調了機器的操控性能。磨損過度，是機械設備應用期間常見的問題，傳動機構設計需注重抗磨損改造方案的優化設計。本文根據傳動機構不同的結構，提出了有效的抗磨損設計方法。

1 傳動機構磨損造成的危害

我國市場經濟正面臨著經濟全球化、經濟區域化兩種發展局勢，新時期的市場環境，刺激了生產型企業加工制造模式的改進，引入大量機器設備輔助產品加工，是必不可少的。自動化生產，帶動了經營效益的增收，提高了先進設備及其科學技術的應用效率。

另一方面，過度依賴于機械設備加工生產，也導致機器結構出現不同程度的磨損問題。傳動機構磨損，具有多方面的潛在危害。

（1）性能危害。傳動機構在機械設備中，是極為重要的構造部分，由多個傳動配件組裝而成，承擔著傳輸、改變、調節動力的作用。傳動機構磨損量偏大，直接降低了動力機器的運轉性能，無法正常調控動力大小，設備無法按照正常的指令完成作業。如：在齒輪傳動結構中，大小尺寸磨損過多，齒距誤差偏大，由于齒輪配合不緊密，而降低了設備的運行效率。

（2）安全危害。零配件磨損，容易引起瞬間性的脆裂，使正常運行的機器設備出現突發性故障，擾亂了內部機構的動力傳輸秩序[1]。以鏈傳動為例，由金屬鏈條帶動齒輪運轉，齒輪或金屬鏈條磨損過度，兩者之間配合的緊密性減弱，金屬鏈條斷裂，引起了機器故障。若鏈傳動處于高轉速運行，金屬鏈條飛出，易擊傷操作人員，對機械設備、操作人員均是很大的危害。

（3）生產危害。各種機械設備，是生產型企業加工制造的主要工具，如果傳動結構發生磨損事故，就會影響零配件加工制造流程的順利進行。

機械磨損引起生產危害的表現：一是故障，傳動結構磨損量超出標準范圍，生產設備的故障發生率提高，阻礙了企業生產活動的持續性；二是效率，產品加工效率與預期的產量指標不一致，返工處理次數增多，而影響了生產效率。

2 齒輪傳動的抗磨損設計

齒輪傳動是機械設備典型的傳動機構，屬于兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。齒輪傳動由兩個大小不一的齒輪配件組成（如圖1），并且按照適當比例，設計出輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓等重要參數。

圖1 齒輪傳動圖示

齒輪作為傳動機構，是提供動力的主要部分，其磨損量偏差，容易損壞機械設備的操控性能，以及運行期間故障發生率提高等問題。目前，齒輪傳統分為閉式、開式兩種，抗磨損設計方案，需根據不同的情況而定。

（1）閉式齒輪傳動。造成齒輪傳動磨損的主要機理，是由于兩齒輪表面接觸產生摩擦力，持續運行后，機械能轉換為熱能，金屬配件放熱過程引起高溫，而磨損了齒輪。閉式齒輪傳動的抗磨損設計，應重點加強齒輪結構的抗疲勞強度，使齒輪在動力運行中發揮出較好的強度性能[2]。如：選材設計應用高強度的金屬材質，維持齒根彎曲疲勞強度的正常狀態；兩齒輪均為硬齒面，且齒面硬度相同時，抗磨損設計要結合具體的設備情況而定。

（2）開式齒輪傳動。與閉式齒輪傳動相對應的是開式齒輪傳動，這種傳動結構抗磨損設計的關鍵在于維持齒根彎曲疲勞強度，以達到抵抗磨損危害的作用。如：設計人員按照企業機械生產的作業荷載，以及設備運行規模的大小，為了延長開式齒輪傳動的壽命，可視具體需要而將所求得的模數適當增大。可針對開式齒輪傳動結構設計潤滑結構，選擇合適的潤滑油進行潤滑處理，降低齒輪運行時產生的磨損，或事先對材料熱化處理，以減小其粗糙度。

3 鏈傳動的抗磨損設計

鏈傳動的核心構件，是鏈條、鏈輪，利用鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力，傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式（如圖2）。

圖2 鏈傳動結構

從傳動效率判斷，鏈傳動在組合結構方面進行了優化改進，選擇了兩個鏈輪作為受力的載體，由于鏈輪處于固定狀態，傳動時很少出現松動、位移等問題。但鏈傳動的磨損率較高，易產生噪聲、振動等，且鏈條在高速傳動狀態下易斷裂。其抗磨損設計如下：

（1）鏈輪齒數。設計齒數需參照鏈傳動的荷載大小，也可根據鏈輪型號規定齒數。大鏈輪，齒數量較少，方便了鏈條與齒輪之間的配合；而小鏈輪，齒數多一些為好，有助于提高鏈傳動的運動平穩性及減小動載荷。從原則上來說，抗磨損設計中一般鏈條節數為偶數，鏈傳動組裝則無需使用過渡接頭。為使磨損均勻，提高壽命，鏈輪齒數最好與鏈節數互質。

（2）鏈條節距。理論研究顯示，鏈傳動中的節距越大，整個傳動部分承擔荷載的性能越好。實際應用情況卻是相反的，鏈條節距變大，鏈輪在高速轉動下的沖擊力也隨之增大，對鏈傳動構件的耗損越嚴重。這一特點，為抗磨損改造設計提供了指導。設計時應盡可能選用小節距的鏈，重載時選取小節距多排鏈的實際效果，往往比選取大節距單排鏈的效果更好。

（3）中心距和鏈長。鏈傳動機構的中心距大小與鏈條長度，決定了機械傳動的運行效率，以及鏈條與鏈輪之間所形成摩擦力的大小。考慮到鏈輪受磨損程度的控制，設計中需嚴格控制中心距與鏈條的長度。一般可取中心距

最大中心距≤80 p。

鏈條長度用鏈的節數表示[3]。按帶傳動求帶長的公式，可導出由此算出的鏈節數，須圓整為整數，最好取為偶數。

4 其他傳動機構的抗磨損設計

隨著我國工業科學技術的發展，機械自動化生產逐漸取代了傳統產品加工制造模式，大量先進的數字化設備，得到了推廣應用。除了齒輪傳動、鏈傳動，機械傳動機構抗磨損設計還需注意繩帶傳動、蝸輪蝸桿傳動的抗磨損設計，這兩種結構是新型機械設備比較常見的組合形式。

（1）繩帶傳動。這是一種利用摩擦力的傳動方式，由主動輪、從動輪、傳輸帶等三大結構組成。繩帶傳動具備結構簡單、組裝便捷、穩定性強等優點，適用于中小型機械傳動設備。因長時間處于高速運轉工作條件，繩帶傳動同樣面臨著磨損問題，尤其是皮帶磨損較大。設計改良方案，應結合主動輪、從動輪的運行要求，選擇高性能皮帶以維持良好的運轉狀態，兩個動輪的間距大小也要嚴格控制。

（2）蝸輪蝸桿傳動。蝸輪蝸桿機構常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，蝸輪與蝸桿在其中間平面內，相當于齒輪與齒條，蝸桿又與螺桿形狀相似。蝸輪蝸桿采用了旋轉式螺旋結構，兩個組件配合運行，需要承受的力學荷載更大，蝸輪蝸桿的磨損量更多[4]。為了避免傳動磨損問題，蝸輪蝸桿改良設計，要考慮蝸輪桿的長度，保持與蝸輪周長一致，避免尺寸標準不一，造成的過載傳輸。

5 結束語

總之，源自于各方面的競爭壓力，導致機械制造企業的經營面臨巨大的挑戰，往往約束了企業長期經營目標的實現。針對傳統機械結構形式進行優化改造，有助于改善設備生產運行的性能，降低成套設備故障的發生率。抗磨損設計，是機械傳動機構的重要改良措施，設計人員必須要參照傳動機構的性能特點，加強抗磨損結構的改良處理。

[1]魏永英.機械傳動結構磨損現象造成的危害分析[J].機械設計與制造，2010，26（12）：54-56.

[2]冀曉紅，郭 紅.基于計算機平臺機械傳動結構三維模型的建立[J].機械研究與應用，2011，19（7）：43-45.

[3]姜曉陽.齒輪傳動結構的機械特點及設計要點研究[J].中國重型裝備，2011，23（6）：17-18.

[4]何靜生.機械傳動機構中鏈傳動與繩帶傳動性能的對比[J].青島科技大學學報，2011，30（7）：44-45.