计算机辅助齿轮试验台设计及关键零部件强度计算的软件开发与应用

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doi：10.3969/j.issn.1001-1269.2013.03.015Computer Aided Design of Gear Testing M achine and the SoftwareDevelopment of Strength Calculation of Key ComponentsLi Zhi Wang Qing(Beijing Metalurgical Equipment Research&Design Corporation Limited of MCC Group，Beijing 100029)ABSTRACT This paper introduces the gear testing machine，testing method，and the project of test，showsthe merits and shortcomings of the different methods，also compares with other designs and gives the reasonable de-sign，meanwhile，calculates and checks the parts of the gear test set when they are working.This article introduces akind of procedure programmed with the Delphi running after the Windows system，which can be used to calculate thecontact stress of the industrial gears.The users can input some design parameter to calculate the contact stress andcheck the result accords to the request of design expediently，rapidly，and wel and truly。

KEYW ORDS Gear transmission system measuring technology Analysis of the stress Contact stress Ben-ding stress Gear test machine1 概述齿轮是应用非常广泛的重要传动元件。随着科学技术的飞跃发展，对齿轮传动提出了越来越高的要求。齿轮传动的大量问题是综合性的，不少问题难于进行理论分析和纯数学定量，而必须用试验的方法加以解决。齿轮传动技术的进-步发展和存在问题的解决，在很大程度上依赖于先进试验技术的应用。

齿轮试验涉及的内容十分广泛，从广义上讲，- 切测定齿轮几何尺寸和性能参数(如制造误差，运动和动力参数，承载能力和寿命，失效的分析和观察等)的技术都可以归人齿轮试验的范围内。

齿轮试验，除了常规的轮齿静强度、轮齿弯曲疲劳强度、轮齿接触疲劳强度、齿面磨损、齿面胶合试验外，还包括齿轮的-些影响参数和其他性能的测试，如齿轮效率、齿轮的润滑、齿轮的动载荷和① 作者简介：李枳，男，1980年出生，硕士，毕业于北京科技大学车辆工程专业，工程师- 58 - 李枳等：计算机辅助齿轮试验台设计及关键零部件强度计算的软件开发与应用 2013年6月第3期噪声、轮齿的载荷分布、齿面及本体温度的测试等等。评定齿轮承载能力的基本性能指标主要是齿轮的静强度、轮齿的弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度、齿面的抗磨损和抗胶合能力。

齿轮试验设备通成以分为非运转式和运转式两大类。非运转式齿轮试验设备是指齿轮或齿轮副只能在静止状态下进行试验的设备，如静态加载的轮齿静强度试验设备、脉动加载的轮齿弯曲疲劳试验设备等。运转式齿轮试验设备是指齿轮副能在-定转速下进行试验的设备，这类设备-般都由驱动装置、传动装置、加载装置、齿轮试验失效监护装置、润滑装置、测试装置六部分组成。

2 齿轮试验台设计2.1 设计依据齿轮试验设计的合理性对试验数据的可靠性和分析结果的准确性有着重要的影响。在设计试验台时，要在充分调查研究分析比较的基础上，合理的确定试验台的应用目的和性能参数，要有适度的经济Jj生和通用性。齿轮试验是对各种材料和啮合几何的齿轮试件进行各种影响因素的专门试验，往往试验载荷和速度的范围很大而且因素很多，这时就不能只用单-的试验台进行这些试验，而应该根据试验的要求和影响因素的研究方法的类似性，分别设计不同的专用试验台。

总体上，-个齿轮试验台应满足以下几方面的要求：能用于研究和试验比较多的影响因素，能适应不同的较复杂的试验目的和要求；有适宜的准确度和精确度；要尽量符合齿轮的实际工作情况。

2.2 方案设计根据试验台的功率传递原理和加载方法的不同，齿轮试验台可分为开放功率流式和封闭功率流式两大类。此处经过计算各部件的载荷和结构上的综合考虑，选定了功率流全封闭式的齿轮试验机设计方案。整个试验系统由试验箱和陪试箱组成，其他零部件还有电机，弹性轴，杠杆，加载连轴器，润滑装置及失效监控装置。工作原理如下：先将两个半连轴器分开，由杠杆加载，使半连轴器转动-个角度，这时将两个半连轴器合上，再松开加载杠杆，由于弹性轴变形转过-定的角度，在弹性变形的作用下 ，在轴上加上-定的扭矩，即完成加载。外部直流电机不起加载作用，只是补充封闭系统内的功率损耗。由于在调整轴承时轴承问隙的调整很麻烦，故陪试箱中齿轮放置在两轴的中间，将盖子设在箱体的顶部，其中的齿轮的齿宽较试验箱中大-些，以保证尽量使齿轮损坏发生在试验箱处，减少陪试箱的齿轮更换。试验箱的盖子则设在箱体的-端，齿轮放置在轴的悬臂处，这样可以方便的更换齿轮试件，而不用调整轴承间隙，减少了工作量。

试验齿轮箱 陪试齿轮箱图1 功率全封闭式齿轮试验台结构方案2.3 主要结构设计选取某-实验方案进行齿轮试验台具体参数设计。

2.3.1 设计实验条件允许传递的最大扭矩：T300 N·m；试验齿轮参数(直齿齿轮)：模数 m4，齿数z25，齿宽 b15mm，中心距 0100ram，小齿轮转速 n1460r/min，齿轮压力角 20。，大小齿轮齿数比 1；工作情况：三班制，单向连续运转，冲击振动较小；使用折旧期：2O年；工作环境：室内，灰尘较大，环境温度最高；动力来源：电力，三相交流，电压380V/220V；检修间隔期：两年-次大修，-年-次中修，半年-次小修；制造条件及生产批量：专业机械厂制造，单件生产。

2.3.2 计算校核2.3.2.1 确定轴径试验齿轮传动的最大扭矩为 300 N·m，考虑摩擦损耗，转矩变化小，取系数 KA1.5，联轴器的计算转矩为 。KAT1.5 X300450N·m。

由计算转矩 。及联轴器的公称转矩的条件，根据文献[2]，选用 LZ3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为 630000N·mm，半联轴器孔径为 d，：- 59 ～ 总第 203期 冶 金 设 备 2013年 6月第 3期40mm，故取轴径为40mm。

由于 T300000N·mm，又 T9550000 ，机械效率 叼0.97，故轴上的功率为P- n-T 47.3kW9550000n 9550000 0 97 × .选取轴 的材料为 40Cr，调质处理，由文献[2]，查得扭转强度系数 A104，按扭转强度计算，最小轴径为A 104×濡 3.1InlT<40m符合轴 的强度要求 (最小轴径)，取轴径为40mm。

2.3.2.2 选择电机选择型号为 YIOOL2-4三相异步电动机，满载转速nd1420r/min，额定功率Pd3kW，额定输出扭矩为9550000 rn2a 9550000×4 l ZU 20176.06N ·mm2。3.2.3 试验齿轮的强度校核试验齿轮为直齿轮，材料为 20CrMnTi，渗碳后淬火，其轮缘的圆周力为F ：2-00-0T：2-000-x 300： 6000N d 100径向力 F，F ·tana6000×tan20。2184N轴向力 F。ON1)接触疲劳强度校核考虑此试验机的功率较大，故两齿轮都选用硬齿面齿轮，应用公式：- 2.5 √器。

由文献[2]查得：(1)使用系数KA1；(2)计算圆周速度。由分度圆直径 d：彬 4×25100mm，计算得出7rd qT"×100×146060×1000 7.64m/s。初选7级精度(常用)，查得动载系数 K 1.15。

(3)直齿轮，又 F 6000N- 6O - 故 F Ka/b 1 x6000600N/mm>100N/mm查得齿间载荷分配系数 ：K如1.1。

(4)齿宽系数 b 0. 15，查得齿向载荷分布系数 K船1，故综合系数 KKAK1×1.15×1.1×11.265。

(5)查得材料的弹性影响系数ZE189.8 M4'P-故OrB 5×·89.8 x√ ×474.5×3.181509.5MPa计算许用应力[ ] ：-IH NO'Hlim，其中：①炔全系数S 1(对于接触疲劳计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不是立即无法工作)；②齿轮工作应力循环次数N60njL 60×1460×1×20×300×8×31.3×10m，故查得接触疲劳寿命系数 K删0.93。

③查得齿轮的疲劳极限 1650MPa，故齿轮的许用应力为[ ] ：K ltNorHlim： ： 1535MPa L J日- - -- - 故 Ⅳ1509.5MPa<[ ]H1535MPa，齿轮接触强度符合要求。

2)弯曲疲劳强度校核计算公式为： ： ，其中：齿型系数 ， 号dm 2.62，应力矫正系数 ，S 1.59；取载荷系数KnKua1.1，K昭1；综合系数KKAKyK印K：1.1×1×1.5× 1： 1.265； F：2- -KT-Y-r o Y-s： qgatt527MP 。

0.15×4 ×25弯曲疲劳极限OrFE1050MPa，弯曲疲劳寿命系数 0.92，取弯曲疲劳安全系数S，1.4(如果发生断齿则会引发严重的事故，故取 s大-些)；得弯曲疲劳许用应力[ ] ：K丁FNorFE： 690MPa> F： L J，- - -- )u F l · l527MPa，故弯曲强度符合安全要求。

张振等：乳化液及空气吹扫装置在冷轧单机架中的应用 2013年6月第 3期上设计特殊的气刀，同时通过轧辊的旋转作用，在该问隙区域形成低压真空区，进-步隔离乳化液往板面滴落。

(2)第-排吹扫位于上防缠导板的上方，吹扫工作辊和中问辊的辊缝区，利用吹扫的气流收集从所有辊身带出的乳化液，收集的乳化液被气流带到防缠导板的收集槽内，乳化液从收集槽流到机架的两侧 ，避免流到板面上。

(3)第二排吹扫位于上防缠导板的下方，安装在上防缠导板内。主要作用是干燥带钢表面，吹净带钢表面残余的乳化液。在带钢出辊缝区很短的距离内，为乳化液在板面上还没有时间和空间形成条状时，迅速将板面的乳化液吹离板面，干燥带钢表面。

图7 济钢 1 450单机架六辊可逆冷轧乳化液喷射布置1-防缠导板 ；2-喷射梁；3-轧机机架；4-轧机辊系(4)抽吸装置位于板带下方，采用贴近的抽吸装置用于抽吸板带下表面的乳化液。抽吸装置采用小体积流量的压缩空气产生高速、大体积的低压气流。体外供给的压缩空气进入-个环形的气室，压缩空气被环形气缝节流后，沿抽吸环形腔的周围产生高速的气流，该高速的气流引起-个压力差，从而带动周围大量的空气通过真空抽吸装置实现去除带钢下表面乳化液的作用。

5 结论在单机架冷轧过程中，准确掌握喷嘴的使用特性参数 ，合理选用喷嘴型号与数量，切实布置喷嘴，根据乳化液喷射梁和防缠导板特点，采用合理化吹扫方式 ，既能充分发挥乳化液冷却、润滑特性 ，保持带钢正常生产，又能保证带钢表面质量；否则，乳化液不能有效吹扫干净，就容易造成乳化液斑迹缺陷，影响带钢表面质量。所以，在设计过程中，注意对喷射系统和吹扫系统协调配合使用。