齿轮箱防腐防锈涂层研究论文

浅谈齿轮强度设计几个问题的探讨论文

0 引言

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一。公元前300 多年，古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。17 世纪末到18 世纪初，人们开始对齿轮的强度问题进行研究。欧洲工业革命以后，齿轮技术得到高速发展，齿轮传动在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。齿轮设计成为机械设计中重要的设计内容之一。目前国际上比较常见的有关齿轮强度设计公式，除了我国的国家标准( GB) 有关齿轮强度的计算方法以外主要有: 国际标准化组织( ISO) 计算方法; 美国齿轮制造商协会( AGMA) 标准计算方法;德国工业标准( DIN) 计算方法; 日本齿轮工业会( JGMA)计算方法; 英国BS 计算方法等。作者在从事机械设计特别对齿轮设计的教学中，发现不少地方的知识点描述比较简单，不容易理解，为此，在文中对齿轮设计的几个问题如齿轮的失效方式、齿轮强度设计的历史、现状进行了深入分析，探讨我国齿轮强度设计的历史来源以及在齿轮设计中的一些困惑。通过深入的分析，有助于大家更好地理解齿轮设计公式的意义和来龙去脉。

1 齿轮失效方式的探讨

齿轮在传动过程中会出现各种形式的失效，甚至丧失传动能力。齿轮传动的失效方式与齿轮的材料、热处理方式、润滑条件、载荷大小、载荷变化规律以及转动速度等有关。人们对齿轮失效的认识是一个发展的过程。18 世纪中叶人们就开始对齿轮的失效进行研究。对齿轮摩擦磨损、点蚀形成和齿面胶合有了初步的认识。1928 年，白金汉发表了有关齿轮磨损的论文，并将齿面失效分为点蚀、磨粒磨损、胶合、剥落、擦伤和咬死等6 种失效形式。1939 年，Rideout 将齿轮损伤分为正常磨损、点蚀、剥落、胶合、擦伤、切伤、滚轧和锤击等8 种形式。1953 年Borsoff 和Sorem 将齿轮损伤分为6 类。1967 年尼曼根据大量试验，对渐开线齿轮的4 种失效形式画出了承载能力的限制关系图，并指出当齿轮转速较低时，影响软齿面齿轮承载能力的主要因素是点蚀，影响硬齿面齿轮承载能力的是断齿; 而对于高速重载传动齿轮，影响因素往往是胶合。自上世纪50 年代以来，一些国家以标准的形式对齿轮损伤形式进行分类，对名词术语、表现特征、引发原因等都有规定。如1951 年美国将齿轮损伤分为两大类，一类是齿面损坏，包括磨损、塑性变形、胶合、表面疲劳等，另一类是轮齿的折断。前一大类齿面损坏是齿轮作为高副由于摩擦学原因而引起的表面损伤; 后一大类轮齿的折断是轮齿作为受力构件由于体积强度不够而发生的破坏。1968 年奥地利国家标准规定了齿轮损伤的名词术语。

1983 年，我国颁布了齿轮轮齿损伤的术语、特征和原因国家标准( GB /T3481 - 83) ，将齿轮损伤形式分为5 大类，即磨损、齿面疲劳( 包括点蚀和剥落) 、塑性变形、轮齿折断和其他损伤，共26 种失效形式。1997 年，我国颁布了对GB/T3481 - 1983 修订的GB/T3481 -1997 国家标准。目前我国在大多数的机械设计教材和机械设计手册中齿轮失效方式都进行了简化，一般分为5 大类，即轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形。

2 齿轮强度设计的探讨

2. 1 轮齿弯曲强度计算

1785 年，英国瓦特提出了齿根弯曲强度的计算方法，把轮齿看成为矩形截面的板状悬臂梁，随后出现多种弯曲强度计算公式。1893年，路易斯发表了轮齿弯曲强度计算式，而且用内切抛物线法找齿轮的危险截面，这一方法称为“抛物线法”[12]，如图1 所示。路易斯以载荷作用于齿顶推导出齿根弯曲应力公式，但是对于重合度大于1 小于2 的齿轮传动，理论上只有当单对齿啮合时，载荷才全部由一个齿承受。对于重合度大于2 小于3 的足够精密的齿轮，因为同时有2 对以上的齿轮在啮合，其最大弯曲应力的作用点要低。

在此之后，又出现30°切线法、尼曼法、白金汉法等。1980 年， ISO 提出“渐开线圆柱齿轮承载能力的基本原理”( ISO 6336 - 1980) ，公布了轮齿弯曲强度、齿面接触强度的计算方法。

过去，我国的齿轮强度计算方法一直比较混乱，没有统一的标准，对生产、科研以及教学带来诸多问题。于是， 1981 年我国成立了“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”国家标准课题组，以ISO6336—1980为根据，开展全面的研究工作。1983 年颁布了渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法的国家标准( GB /T3480—1983) 。

目前，我国有关齿轮弯曲强度的设计公式基本上采用30° 切线法，即作与轮齿对称中心线成30°夹角并与齿根圆角相切的斜线，两切点的连线是齿根危险截面位置。而且以单对齿啮合区的最高点作为最不利载荷作用点，这时产生的弯曲应力最大，如图2 所示。另外，弯曲疲劳强度计算公式中，齿形系数在许多机械设计中只是说明与齿数有关，与模数无关，并未做详细说明，不容易理解。下面对相关问题进行详细分析。如图2 所示，齿根弯曲应力为σF =MW= FnhFcosαFbS2F /6 = 6KFthFcosαFbS2Fcosα= KFtbm6( hFm) cosαF( SFm)2cosα( 1)式中，αF为齿顶圆压力角。令式( 1) 中的YF =6( hFm) cos αF( SFm)2cos α式中，YF称为齿形系数，由路易斯在其轮齿弯曲强度计算式中首次引用。可以看出，YF是与齿轮形状的几何参数有关的一个系数。因为，根据齿轮形成原理，齿数的变化将引起轮齿上hF、SF、aF等参数的变化，由于hF、SF、aF均与齿轮模数成正比，致使齿形系数中的模数可以约去。因此，齿形系数不受模数的影响，而只与齿数有关，齿数越多YF越小，反之YF越大。这就是在机械设计的教材中经常会看到“标准齿轮的齿形系数只与齿数有关而与模数无关”的原因。

2. 2 齿轮压应力对弯曲应力的影响

根据30°切线法及齿轮受力分析。将法向力Fn移至轮齿中线并分解成相互垂直的两个分力，即圆周力Ft和径向力Fr。根据力学理论，Ft使齿根产生弯曲应力为σF，Fr则产生压应力σy。因此齿根危险截面上受到的应力为弯曲和压缩组成的组合应力，并导致齿根两边的应力大小不相等。然而，在相关的机械设计资料中都没有将由于径向力产生的压应力计算在齿轮的弯曲强度计算公式中，而且在大多数的相关教材中都认为: 压应力相对于齿根最大弯曲应力比较小，可以忽略不计。但是压应力到底多少，为什么可以忽略不计，很少有人进行计算，下面对压应力与弯曲应力进行探讨。如图2 中，Ft产生其弯曲应力σF如式( 1) 所示。由Fr产生压应力σy为σy = Fnsin αFbSF( 2)由式( 1) 及式( 2) 可得σyσF= SF6hFtan αF设OD = h'，则SF = 2h' tan30°，因此σyσF= tan 30tan αF3h'hF假设标准齿轮模数为m，齿数z。则齿顶圆压力角为cos αF = rbra= zz + 2cos α，由于h'hF< 1，因此，当不考虑h'hF的影响时，σyσF的大小取决于齿轮的齿数。为了便于讨论，取ξ = σyσF称为压应力对弯曲应力的影响系数。则根据计算可以得到ξ 与齿数的对应关系，如图3 所示。可见，压应力对弯曲应力的影响与齿数有关，而模数无关，而且随着齿数的变化而变化，齿数越少其影响越大，反之影响就越小，最终趋于一水平线。最小约为最大弯曲应力的8%，特别当h'hF< 1 时，压应力更小，可以忽略不计。这就是为了简化计算，在计算轮齿弯曲强度时一般只考虑弯曲应力的原因。从图2 可知，弯曲应力分为拉伸侧的拉应力和压缩侧的压应力。实际证明，拉伸侧是危险侧，因拉伸侧的`裂纹扩展速度较大。压缩侧有时虽裂纹出现较早，但发展速度较慢。所以大多数的公式以拉伸侧的应力作为设计时的计算应力。而且根据齿轮弯曲疲劳实验分析证明，考虑弯曲应力、压应力与只考虑弯曲应力的结果，实际上没有多大差别。因此，在齿轮弯曲疲劳强度计算中只考虑弯曲应力。

2. 3 齿面接触疲劳强度计算

图4 赫兹接触应力模型齿面接触疲劳强度计算是针对齿轮齿面疲劳点蚀失效进行计算的强度计算。1881 年，赫兹提出两个圆柱体接触时接触面上载荷分布公式，该式作为齿面强度计算的理论基础，如图4 所示。根据赫兹接触应力理论，在载荷作用下接触区产生的最大接触应力为σH = Fnπb·1ρ1± 1ρ21 - μ21E1+ 1 - μ22槡 E2( 3)式中，Fn为作用在圆柱体上的载荷; b 为接触长度;μ1、μ2分别为两圆柱体材料的泊松比; E1、E2为两圆柱体材料的弹性模量。ρ1、ρ2为两圆柱体接触处的半径，式中“+”号用于外接触，“-”号用于内接触。1898 年，拉塞根据法向力应用“压强”原理研究齿面的接触疲劳强度问题。1908 年，奥地利的维德基将赫兹的两个圆柱体的接触应力理论应用于计算轮齿齿面应力，并绘出了沿啮合线最大接触应力变化图。1932 年，英国BS 根据实验数据提出基础表面应力作为齿面强度计算方法。1940 年，美国AGMA 采用齿面强度最重负荷点的接触应力最大值计算方法。

1949 年，白金汉提出节圆上齿面接触应力不超过许用值的计算方法，后来该方法被许多计算方法所采用。1954 年，尼曼采用最大负荷点上滚动压力。至今，我国皆以赫兹公式作为计算齿面接触疲劳强度的理论基础，即以赫兹应力作为点蚀的判断指标。通常令1ρΣ= 1ρ1± 1ρ2，ρΣ称为综合曲率，对于标准齿轮，1ρΣ= 2d1 sin αi ± 1i 。并令式( 3 ) 中的ZE =1π 1 - μ21E1+ 1 - μ22E 槡为弹性影响系数。从而，获得渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳强度的基本公式为σH = ZEZH2KT1bd21i ± 1槡 i #[ σ ] H( 4) 式中，ZH = 2槡sin αcos α，称为区域系数，对于压力角α= 20°的标准齿轮，ZH≈2. 5。在机械设计手册或机械设计教材中，有关齿轮接触疲劳强度公式有很多版本，其中最常见的是将一对钢制标准齿轮齿面接触强度校核公式进行简化，取钢制齿轮的E1 = E2 =2. 06 ×105MPa，μ1 =μ2 =0. 3，便获得机械设计中常用的校核公式。σH = 671 KT1bd21i ± 1槡 i ≤[ σ ] H( 5)

2. 4 齿面胶合强度计算

齿轮另外一个常见的失效是齿面胶合。有关齿轮胶合比较统一的说法是: 相互啮合的两金属齿面，在一定的压力下直接接触发生黏着，同时又随着齿面运动而使金属从齿面上撕落而引起的黏着磨损现象。胶合分为冷胶合和热胶合。对于高速重载的齿轮传动，齿面瞬时温度较高，相对滑动速度较大，则容易发生热胶合。对于低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间压力过大，导致齿面油膜被破坏，尽管齿面温度不高，但也容易产生胶合，称为冷胶合。

对于齿轮齿面胶合强度计算的研究，目前主要基于两种理论，一是基于Pv 值( 压力与速度的乘积) 或PTv ( T 为啮合点到节点的距离) 值作为计算胶合的指标。另一种是以齿面温度作为判定胶合的准则的布洛克算法。1975 年，温特提出积分温度法。现在ISO 的标准中主要以这两种方法为主。2003年，我国颁布“圆柱齿轮、锥齿轮和准双曲面齿轮胶合承载能力计算方法”国家标准( GB - Z 6413. 1 - 2003和GB - Z 6413. 2 - 2003)。该标准等同采用了ISO/TR 13989 - 2000“圆柱齿轮、锥齿轮和准双曲面齿轮胶合承载能力计算方法”。曾经有人试图以按弹性流体动力润滑理论计算齿面间的油膜厚度作为胶合的评判依据。

我国多数的机械设计教材中齿轮强度设计一般只提供齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两种计算方法，并未提供有关齿面胶合的强度计算公式。

3 结束语

文中分别对机械设计教学中有关齿轮的强度设计问题进行了分析和探讨，详细解读我国齿轮强度设计的历史沿革及现状，以及齿轮强度设计计算过程中让人困惑的问题及解决方法。研究指出，在齿轮弯曲疲劳强度的计算中，压应力对弯曲应力的影响是有限的，一般可忽略不计，只有当需要精确计算时，应当考虑其影响。论文的研究可以帮助齿轮设计人员和学生更好地理解齿轮设计中的相关内容，为将来从事机械设计工作打下良好的基础。

污水处理厂设备维修优化策略论文

摘要 ：目前机械设备的维修保养工作越来越重要。加强对污水处理厂设备维修工作的重视，综合实际情况，制定完善的优化策略，可以最大可能地提升生产效率和质量，进而凸显设备的性能价值，从根本上为设备维修工作的开展奠定基础。基于污水处理厂设备维修的实际状况，提出了几点优化策略与手段。

关键词 ：污水处理厂；设备维修；优化策略

1污水处理常用设备在运行中存在的问题

设备备品备件不合理

污水处理厂在运行过程中必须要加强对运营效率的重视，要解决运行、成本以及维修时间三个问题，要合理的存储设备的各种零件。对于一些重要的、易损的零件如轴承、密封圈、螺栓、齿轮、接触器以及保险等要进行科学备份存储。但是多数的污水处理厂并没有科学的存储设备零件的意识，在设备出现故障的时候，才意识到重要的零件没有库存，而为了保障生产正常运行就会仓促采购，这样不仅采购成本高，而且还会延迟设备的维修，对于采购来的零件质量也无法有效保障，不利于污水处理工作的稳定运行。而在一些企业中为了避免此类问题发生，会大量的采购各种设备零件，这样就会导致企业库存增加、资金大量被占用，一些零件在长期的存储过程中会自然老化、腐蚀，在需要使用时质量无法保证，可能会导致设备再次损坏，甚至扩大损坏程度。

设备的管理能力有待提升

在现代化污水处理的工艺过程中各种智能化的高科技设备应用越来越广泛，设备数量也越来越多，必须要加强对各种设备的管理与维修保养，但污水处理厂运维团队中缺乏专业的设备管理人员。通过对污水处理厂的发展以及实际运行状况的各种数据收集和分析可以发现，约有半数的污水处理厂中缺乏专业的设备维修管理人员，这种状况在一些中小型的以及刚刚成立的污水处理厂中较为普遍。一般情况下，多数的企业仅仅让两三个维修人员进行日常的设备检查，人员配备不足和检修能力有限往往使得设备运行的隐患以及故障无法及时发现。一些处于磨合期的设备容易出现各种各样的状况，但是管理人员没能足够重视，加上维修人员故障辨别能力有限，导致设备隐患无法得到及时有效的解决，最终导致设备出现一些不可逆转性的损坏，这样就会耗费大量的资金与时间，影响正常的污水处理过程。

2机械设备维修检查工作的主要内容及其注意事项

第一，设备的清洁处理。要求保障各种机械设备没有油泥、污垢以及尘土等内容，定期检查设备的油脂、油位等，定期检查清洗，避免各种杂质进入设备滚动面和咬合面，从而有效的减少运动零件的磨损问题；第二，紧固处理。要对一些机械设备的连接件进行及时的检查与紧固处理；第三，调整机械设备。要对机械设备的各个零件之间的相对关系以及工作参数进行系统的控制，加强对机件的间隙、行程、角度以及压力、松紧度以及速度的控制与调整，保障机械设备的稳定运行。对于一些关键的设备同心度和水平度，必须要加强控制，保障其稳定性，避免生产事故发生；第四，润滑处理。要基于既定的规定要求，对机械设备定期更换润滑油，保障机械设备运动零件的润滑性，减少零部件的磨损，在根本上保障机械设备的稳定运转；第五，防腐处理。要对机械部件进行科学管理，加强防潮、防锈以及防酸控制与处理，避免零部件受到各种侵蚀，造成机械部件以及电气设备出现运行隐患，甚至无法正常使用。设备外壳有锈蚀情况必须要及时采取补漆、涂抹油脂等防腐措施，保障其外观整洁和整体质量。对于机械设备要对其进行定期维修检查，同时要加强对试运转、换季处理等特殊状况下的维修检查。第一，加强试运转维修检查的控制，主要就是在新启用设备和设备大修之后，投入使用的初期阶段对其进行磨合性的维修检查，加强检查分析，了解机械的磨合情况，发现问题，及时进行干预调整；第二，强化换季维修检查控制。在入夏和入冬之前对机械设备有针对性地进行维修检查。在设备运行过程中基于不同的机械状况以及气候等因素对其进行清洁、保养以及防腐控制。机械设备的维修检查质量与修理的质量对于机械设备的稳定运行有着积极的影响，在实践中必须要加强对机械设备维修检查工作的重视，要对其进行系统控制，要对维修检查等级、项目以及各项内容进行系统分析，在维修检查之后对其进行严格的检查，及时解决各种问题，在根本上提升维修检查的质量以及速度。

3机械设备的维修保养与措施分析

在污水处理厂机械设备的维修保养工作开展过程中，必须要综合实际状况以及主要工作内容，制定完善的机械设备维修保养管理手段与措施，在根本上提升污水处理厂机械设备管理质量，这样才可以保障各类机械设备的稳定运行。

完善设备维修保养与维修检查的规章制度

污水处理设备在长时间的使用过程中，会出现各种设备零件变形和磨损等问题，这样就会导致设备无法稳定运行，不利于设备性能的正常输出，在严重的时候会导致各种设备故障频发。对此在设备管理过程中必须要加强对设备的维修保养管理，基于设备的具体状况以及内容制定完善的设备日常巡查制度，设备管理以及维修保养规程。要规定设备维修保养的内容，对其进行系统的规律的维修检查，从根本上延长设备的使用寿命，有效地预防和控制设备运行事故的发生。污水处理过程中各种动力设备都配备减速箱，对此维修工作人员要基于减速箱的特征，在不同的时节中适当的增添更换不同油脂。污水处理厂设备运行环境差，频繁的接触污水、污泥和腐蚀性气体等，在长期的使用过程中容易锈蚀，对此工作人员必须要加强设备的日常防腐工作的控制，加强对污水处理设备的维修保养，通过定期喷漆、清理污垢，合理更换易腐蚀部件等方式对其进行系统控制。同时，必须要综合污水处理厂机械设备的实际状况，对于一些重点机械设备的关键零部件、使用频繁且容易损坏的零部件进行及时存储。综合维修工作人员的各项意见以及工作内容，合理的存储各种设备零部件，为维修工作的顺利进行提供物资基础，避免因为存储不当导致的.设备维修延误等问题的出现，从而在根本上保障设备维修工作的有效开展。

制定严格、多层次化设备维修检查制度

日常维修检查、一级维修检查、二级维修检查三种维修保养制度的实行，可以有效的减少机械设备使用环境、安装位置等因素对设备的影响。设备维修对设备的稳定运行具有决定性的影响，在日常设备维修中的主要内容就是对设备的加油润滑、设备运行状况分析、对设备运行中的油位、油标、液位、仪表压力等数据进行系统检查。在设备送电运行之前，对设备周围环境进行的清扫，同时设备检修人员要严格执行各种日常维修检查工作内容，要保障设备的清洁、整齐、安全。在常规状况之下，在机械设备完成规定的工作时间之后才可以对其进行一级维修检查。要基于设备种类的不同，在停机间隙中对设备进行拆卸检查以及日常的维修检查，这样就可以了解各种机械设备的功能以及结构，进而减少各种设备的磨损时间，延长使用寿命，有效的解决设备的一些常见问题以及存在的安全隐患问题。而二级维修检查是一级维修检查工作的升级，在二级维修检查中主要是基于设备维修为主要的工作内容，是对设备进行全面的解体检查和修理，以保持、恢复或提高设备的各项性能指标，使设备恢复正常稳定运行。

完善设备维修质量管理体系，构建设备管理系统

设备维修质量管理体系就是对设备维修进行系统的监控与评估。通过对设备的压力、温度、振动、电压和电流等参数实时监控，可以及时、精准的获得设备维修后的各种信息，对各项信息数据汇总、利用网络信息技术手段进行数据分析，纠错控制，形成完善的监督体系。通过科学的、系统的检查、考核、评价以及实验加强对维修过程的控制，保障其满足具体的应用要求。在设备维修质量管理体系下，逐步形成囊括设备档案、巡检、设备维保、维修计划、设备维修。维修工单生成与跟踪和备品。备件管理等为一体的设备管理系统。设备管理系统可以成为各级生产管理人员开展日常工作的基础性工具，是生产管理信息化的重要核心内容，是提高生产管理水平的有效手段，是生产设备管理模式变革、创新的工作机制。

4结语

要加强对污水处理厂实际运行工作中各种设备状况的分析，对于设备管理以及维修保养中存在的各种问题的控制与监督，强化设备维修管理，加强企业工作人员设备维修管理意识，全面践行设备维修以及管理的各项规程，在根本上提升设备维修人员的专业知识存储以及维修技能，合理的存储各种配件，完善设备维修质量管理体系，构建设备管理系统，在根本上保障污水处理企业各项工作的稳定运行。

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