基于過盈配合的馬達齒輪修復方法

馮映科

(寶武裝備智能科技有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524000)

一、引言

冶金設備長期處于比較惡劣的運行環境之中，在設備的運行過程中因為各種因數易導致設備出現磨損及故障，使其使用周期嚴重縮短[1]。馬達齒輪一般都處于高負荷的環境下運行，其內孔徑容易損壞，使局部傳動失效，由于該類型的軸內孔徑較小，作業空間受限制，無法采用堆焊手段作業，難以達到修復的目的，導致馬達齒輪無法使用而直接報廢，造成生產成本的增加。過盈配合作為傳動力的一種有效的連接方式，在機械制造領域中較為常用，它具有結構簡單，操作便捷的特點，而且具有較高的承載能力和良好的定心性的優點，能夠保證機械設備運行的安全可靠性[2]。本文采用過盈配合的方法來修復馬達齒輪的孔位，替代焊接修復。

二、修復方法分析

如圖1所示，驅動齒輪配合驅動馬達使用，通常因為受到較大正反轉的載荷，造成孔徑磨損變大，且造成鍵槽位置損壞，如圖2所示。驅動齒輪的孔徑為65mm，深度為80mm，無論采用常規的氣保焊還是普通焊條堆焊，深度大于40mm以后的部位無法正常操作，因此采用過盈配合的修復方法。

圖1 馬達齒輪主要尺寸示意圖

圖2 馬達齒輪孔位損壞圖

馬達齒輪修復過程的主要步驟：

步驟1：將損壞的Φ65擴至Φ90mm，光潔度為1.6。

步驟2：將鍛件的鋼棒加工至Φ90mm，光潔度為1.6。

步驟3：采用徑向過盈裝配，將鋼棒裝配到位。

步驟4：按圖紙要求加工Φ65mm及鍵槽。

采用馬達齒輪圖紙的相關技術參數作為依據，馬達齒輪的外形接近圓柱模型，為了簡化計算模型，將其簡化為圓柱模型，忽略馬達齒輪外形和左端的影響，按照文獻[3]計算過盈配合的量。

表1 馬達齒輪的技術參數

馬達齒輪的額定轉動力矩為2900N.m，計算出傳遞力矩T=2900N.m所需最小的壓強為：

(1)

其中，查得文獻[3]確定摩擦系數μ=0.1，Pfmin=90mm，lf=80mm，代入相關數值得到Pfmin=50.104MPa。

計算傳遞載荷所需的最小過盈，包容件傳遞載荷所需的最小直徑變化量。

(2)

經計算可得其數值為0.035mm。

被包容件傳遞載荷所需的最小直徑變化量：

(3)

(4)

傳遞載荷所需最小有效過盈量為：

δemin=eamin+eimin=0.063mm

(5)

對連接件不產生塑性變形時候計算最大有效過盈。兩個材料均為塑性，由公式(6)計算得到：

對包容件不產生塑性變形時候計算所允許的最大結合力：

(6)

對被包容件不產生塑性變形時候計算所允許的最大結合力：

(7)

當連接件不產生塑性變形時候計算所允許的最大結合力：

(8)

當包容件不產生塑性變形時候計算所允許的最大直徑變化量：

(9)

經計算，該過盈量為0.61mm。結合車間的實際生產情況，采用徑向裝配。等徑向裝配冷卻后，再進行焊接。

為了保證馬達齒輪承受沖擊載荷，文獻[4]焊縫強度標準，計算焊縫承載能力。該焊接坡口開雙邊V，根據齒輪馬達主要承受扭轉力矩，忽略其他因素來考慮焊縫的工作強度，焊縫主要受到剪切應力。計算焊縫抗剪切應力強度的公式(10)：

(10)

其中,T=2900N.m，a=5mm,R=45mm。計算結果τ≈43Mpa，采用J507的焊條焊接，J507抗剪能力為300MPa，可滿足其要求。

三、過盈配合的仿真分析

利用SolidWorks軟件建立馬達齒輪和圓柱的三維模型，簡化馬達尺寸的模型，將馬達齒輪的齒形和倒角忽略，并從SolidWorks工具中導入到ANSYS workbench，采用靜力學分析。根據GB/T 3077-2015標準，定義馬達齒輪和修復圓柱的材料為42CrMo，常溫下的金屬彈性模量和力學性能表如表2所示：

表2 馬達齒輪和修復圓柱常溫下的金屬彈性模量和力學性能

分別采用過盈量0.063mm、0.61mm、0.15mm進行靜力學分析。過盈裝配環境溫度為22℃，將接觸類型改為摩擦接觸“Frictional”,輸入摩擦因數0.1,并將接觸行為設置為非對稱接觸“Asymmetric”,在偏置中輸入對應的過盈量。其仿真的結果如圖3、4、5所示。

圖3 0.063mm過盈量時的等效應力云圖

圖4 0.61mm過盈量時的等效應力云圖

圖5 0.15mm過盈量時的等效應力云圖

從圖3至圖5可知，過盈配合接觸應力是平均勻分布，中間部分應力最小，邊緣部位的應力最大，集中應力明顯，符合過盈配合實際的應力分布，可采用倒角來緩解邊緣應力集中現象。

由于過盈配合，結合面處產生較大的應力。經過盈配合方法修復后的馬達齒輪既要有充足的聯接強度和材料強度，并且能夠正常穩定的工作。從圖3可以知，過盈量0.063mm出現在過盈配合的兩端邊緣，其最大的等效應力約為118MPa，這是保證最小的扭矩；從圖4可以知，過盈量0.61mm出現在過盈配合的兩端邊緣，其最大的等效應力約為954MPa，這與理論計算的數值較為接近，說明仿真的結果具有指導意義；結合車間實際情況，采用徑向裝配的較大過盈量，圖5過盈量0.15mm最大的等效應力約為281MPa，裝配后的材料等效盈利相對材料的屈服強度較小，可采用焊接進一步加強。經修復后的馬達齒輪(如圖6所示)上線使用，使用壽命可達到新的零件壽命。

圖6 修復后的馬達齒輪

四、結束語

馬達齒輪的內孔徑采用過盈配合的方法修復，并根據工件的特點焊接加強，保證修復后的馬達齒輪能夠滿技術參數要求，延長使用的壽命。馬達齒輪屬于常見的冶金設備，工作面屬于回轉體，采用過盈配合的思路，再結合其他常規手段，讓修復后的零部件達到正常使用的效果，從而減少現場零部件備用的庫存量，同時降低了生產的運營成本，增加了企業的效益。這也為修復同類的冶金設備提供了一種新思路。