焊接大齒輪結構合理性分析

摘 要：焊接大齒輪現已成為世界工業發達國家制造大齒輪的生產方法，并將逐步淘汰目前國內大型鹵輪制造中使用的整體鑄造結構齒輪。針對鑄造齒輪生產周期耗料過多、成本高和鑄造缺陷不可預見等原因，通常在銑、精鏜加工時，暴露出疏松、落砂、冷隔膜等嚴重的鑄造缺陷，這導致整個大齒輪報廢，直接影響生產周期，造成經濟損失。

關鍵詞：焊接大齒輪；結構；合理性

中圖分類號：TG457.25 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0227-01

引 言

近年來，隨著我國裝備制造業的快速發展，大型輕量化裝備已成為企業在工業競爭中的主要優勢。減速機常用的齒輪大多為鑄鋼件和鍛鋼件，但傳統的鑄鍛工藝已不能滿足目前較大齒輪的生產，而焊接大齒輪現在已成為世界各地工業發達國家制造大齒輪的趨勢，并將逐步淘汰目前大型齒輪制造中的整體鑄造結構的齒輪。

1 焊接齒輪結構的工藝性

大型齒輪箱的一級、二級大齒輪都是焊接構件。焊接結構和焊接接頭形式多種多樣，設計者在設計時有充分的選擇余地。但是必須考慮工藝上實現的難易程度和接頭所處的位置對于結構強度的影響，以便確定最合理的焊接結構及接頭形式。不合理的結構設計不但難以制造，提高生產成本，而且往往降低結構的承載能力和使用壽命。焊接齒輪多采用輻板式結構。根據齒輪的工作情況和輪緣的寬度，采用不同數目的副板。當輪緣寬度較小時，采用單輻板，加放射狀筋板以增強剛度；當輪緣較寬或存在軸向力時，則采用雙輻板結構，在兩輻板間設置輻射狀隔板，構成一個剛性強的箱格結構。輻板上開窗口，以便于焊接兩輻板間的焊縫和有利于通風，窗口為圓形或扇型。輻板和筋板之間的焊縫受力不大，焊腳尺寸可取筋板厚度的0.5～0.6倍。雙輻板齒輪的剛性和抗震性能都比較強，是焊接齒輪的合理結構形式。輪幅和輪毅之間的焊接接頭受力較大，應進行強度計算。如果齒輪受沖擊載荷，為了提高輪毅和輻板之間的接頭動載強度，則須在輻板邊加工坡口，以便焊透焊縫根部。對于工作條件極惡劣的齒輪，把丁字接頭改為對接接頭，在輪毅上做出凸臺，這種接頭具有更高的動載強度。輪緣是齒輪的工作面，其齒緣的工作應力很高，輪齒經受磨損嚴重。為了提高齒輪的使用壽命，輪緣應該用強度高的耐磨的中碳合金結構鋼制造。

2 焊接大齒輪的可焊性分析

2.1 焊接過程易產生熱裂紋

焊接大齒輪的結構由中碳調質鋼齒圈鍛件、普通低合金結構鋼16Mn作輻板和ZG35鑄鋼輪轂等組焊而成。中碳調質鋼（34CrNilMo）齒圈和普通低合金結構鋼16Mn輻板焊接時具有較大的熱裂傾向，這是因為中碳調質鋼含碳量和含合金元素量較高，與16Mn焊接時形成的焊接熔池的渡固態結晶區間較大，合金元素中的鎳、硫、磷等在結晶過程中易形成低熔點共晶物，低熔點共晶物和碳化物易在焊接熔池柱狀晶頂點形成聚集偏析，在焊后大的冷卻速度下，會在熔池柱狀晶之間形成“低熔點液態薄膜”間層，它無塑性，在焊接過程中的拉應力作用下易產生結晶熱裂紋。

2.2 中碳調質鋼的淬硬傾向和冷裂傾向

中碳調質鋼（34CrNilMo）的含碳量（0.25～0.45%C）和合金元素含量都較高，屬于高淬硬性鋼，冷裂傾向較嚴重，因而在焊縫熔合線的過熱區內易產生硬脆的針尖狀高碳馬氏體。冷卻速度越大，生成的高碳馬氏體就越多。另外，中碳調質鋼對冷裂紋敏感性還在于奧氏體轉變為馬氏體時的轉變溫度較低（Ms=320℃），在低溫下形成的馬氏體一般難以產生“自回火”效應，所以冷裂傾向較敏感，由此分析，中碳調質鋼的可焊性是差的。

3 焊接工藝

3.1 焊前的工藝要求

檢查齒圈、輪轂、及其它相關零件的毛坯尺寸及焊后部件加工余量，齒圈的變形情況。清潔并磁粉檢查齒圈、輪轂、輪輻的堆焊面及焊接坡口面，確保無裂紋。檢查變位器、轉胎、預熱裝置等工裝設備。調整檢查相關的量具、儀器（測溫儀、水平儀、直尺等），保證測量的準確性。齒圈的堆焊在變位器上進行，輪轂的堆焊在轉臺上進行，齒輪整體部件在變位器上進行，采用紅外線裝置預熱，石棉布保溫，同時準備一至兩處丙烷氣體加熱點，從而保證溫度始終在要求范圍內。焊材必須按規定烘干、保溫、隨用隨取。

3.2 焊接時的工藝要求

3.2.1 預 熱

齒圈輪轂堆焊預熱溫度為300～350℃，堆焊層與輪輻的坡口焊預熱溫度為100～150℃，層間溫度不低于預熱溫度的下限。

3.2.2 焊 接

齒圈、輪轂的堆焊采用埋弧自動焊，多層多道焊接，焊后覆蓋石棉緩冷，消應力退火；坡口焊在變位器上旋轉到平焊位置施焊，內外環交叉焊接，焊完一面再焊另一面；雙面、內外坡口焊完后再焊輪輻之間的筋板焊縫，最后將輪輻之間的聯接圓筒裝焊上。檢查所有焊縫無裂紋，清理焊渣后消應力退火。

4 焊接大齒輪的數值分析

模型描述：現設計焊接大齒輪其外齒圈和輪轂均為鍛鋼件，外齒圈選用材料為17CrNiMo6滲碳鋼，腹板材料為Q345A鋼板，輪轂及襯套跨焊件選用35CrMo材料，保證零件的可焊性，再通過焊接及熱裝工藝方法裝配成型（見圖1）。在生產前采用數值模擬方法，分析大型齒輪腹板厚度的結構合理性，選用不同厚度的腹板在額定載荷下模擬工作狀況，對于此次生產具有較為現實的意義。利用有限元模擬分析不同厚度的腹板使零件產生的位移、變形及應力分布，分析數值結果得出最佳優化設計方案，從而在保證零件使用要求的情況下，優化零件結構，降低生產成本。筆者算例依據零件設計，材料假設彈性模量E=2×10MPa，泊松比μ=0.28，固定載荷T=1000kN/m2，腹板厚度選用20mm、30mm、35mm做有限元模擬分析。

5 結束語

焊接大齒輪既具有齒輪精度高、齒面硬度大、承受載荷大的優點，也具有重量輕、外形美觀、成本低、材料利用合理、生產效率高、生產周期短的優點。此外解決了大齒輪鑄造工藝的一系列問題，具有很高的推廣價值。

參考文獻

[1]耿家棟.焊接大齒輪結構合理性分析[J].技術與市場，2016（07）.

[2]朱 熠.焊接大齒輪工藝探討[J].機電信息，2010（24）.

[3]程娟麗，孔金鳳.大型焊接齒輪結構的工藝性及可焊性探討[J].江蘇機械制造與自動化，2000（03）.

收稿日期：2018-11-3