焊接大齿轮结构合理性分析

摘 要：焊接大齿轮现已成为世界工业发达国家制造大齿轮的生产方法，并将逐步淘汰目前国内大型卤轮制造中使用的整体铸造结构齿轮。针对铸造齿轮生产周期耗料过多、成本高和铸造缺陷不可预见等原因，通常在铣、精镗加工时，暴露出疏松、落砂、冷隔膜等严重的铸造缺陷，这导致整个大齿轮报废，直接影响生产周期，造成经济损失。

关键词：焊接大齿轮；结构；合理性

中图分类号：TG457.25 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0227-01

引 言

近年来，随着我国装备制造业的快速发展，大型轻量化装备已成为企业在工业竞争中的主要优势。减速机常用的齿轮大多为铸钢件和锻钢件，但传统的铸锻工艺已不能满足目前较大齿轮的生产，而焊接大齿轮现在已成为世界各地工业发达国家制造大齿轮的趋势，并将逐步淘汰目前大型齿轮制造中的整体铸造结构的齿轮。

1 焊接齿轮结构的工艺性

大型齿轮箱的一级、二级大齿轮都是焊接构件。焊接结构和焊接接头形式多种多样，设计者在设计时有充分的选择余地。但是必须考虑工艺上实现的难易程度和接头所处的位置对于结构强度的影响，以便确定最合理的焊接结构及接头形式。不合理的结构设计不但难以制造，提高生产成本，而且往往降低结构的承载能力和使用寿命。焊接齿轮多采用辐板式结构。根据齿轮的工作情况和轮缘的宽度，采用不同数目的副板。当轮缘宽度较小时，采用单辐板，加放射状筋板以增强刚度；当轮缘较宽或存在轴向力时，则采用双辐板结构，在两辐板间设置辐射状隔板，构成一个刚性强的箱格结构。辐板上开窗口，以便于焊接两辐板间的焊缝和有利于通风，窗口为圆形或扇型。辐板和筋板之间的焊缝受力不大，焊脚尺寸可取筋板厚度的0.5～0.6倍。双辐板齿轮的刚性和抗震性能都比较强，是焊接齿轮的合理结构形式。轮幅和轮毅之间的焊接接头受力较大，应进行强度计算。如果齿轮受冲击载荷，为了提高轮毅和辐板之间的接头动载强度，则须在辐板边加工坡口，以便焊透焊缝根部。对于工作条件极恶劣的齿轮，把丁字接头改为对接接头，在轮毅上做出凸台，这种接头具有更高的动载强度。轮缘是齿轮的工作面，其齿缘的工作应力很高，轮齿经受磨损严重。为了提高齿轮的使用寿命，轮缘应该用强度高的耐磨的中碳合金结构钢制造。

2 焊接大齿轮的可焊性分析

2.1 焊接过程易产生热裂纹

焊接大齿轮的结构由中碳调质钢齿圈锻件、普通低合金结构钢16Mn作辐板和ZG35铸钢轮毂等组焊而成。中碳调质钢（34CrNilMo）齿圈和普通低合金结构钢16Mn辐板焊接时具有较大的热裂倾向，这是因为中碳调质钢含碳量和含合金元素量较高，与16Mn焊接时形成的焊接熔池的渡固态结晶区间较大，合金元素中的镍、硫、磷等在结晶过程中易形成低熔点共晶物，低熔点共晶物和碳化物易在焊接熔池柱状晶顶点形成聚集偏析，在焊后大的冷却速度下，会在熔池柱状晶之间形成“低熔点液态薄膜”间层，它无塑性，在焊接过程中的拉应力作用下易产生结晶热裂纹。

2.2 中碳调质钢的淬硬倾向和冷裂倾向

中碳调质钢（34CrNilMo）的含碳量（0.25～0.45%C）和合金元素含量都較高，属于高淬硬性钢，冷裂倾向较严重，因而在焊缝熔合线的过热区内易产生硬脆的针尖状高碳马氏体。冷却速度越大，生成的高碳马氏体就越多。另外，中碳调质钢对冷裂纹敏感性还在于奥氏体转变为马氏体时的转变温度较低（Ms=320℃），在低温下形成的马氏体一般难以产生“自回火”效应，所以冷裂倾向较敏感，由此分析，中碳调质钢的可焊性是差的。

3 焊接工艺

3.1 焊前的工艺要求

检查齿圈、轮毂、及其它相关零件的毛坯尺寸及焊后部件加工余量，齿圈的变形情况。清洁并磁粉检查齿圈、轮毂、轮辐的堆焊面及焊接坡口面，确保无裂纹。检查变位器、转胎、预热装置等工装设备。调整检查相关的量具、仪器（测温仪、水平仪、直尺等），保证测量的准确性。齿圈的堆焊在变位器上进行，轮毂的堆焊在转台上进行，齿轮整体部件在变位器上进行，采用红外线装置预热，石棉布保温，同时准备一至两处丙烷气体加热点，从而保证温度始终在要求范围内。焊材必须按规定烘干、保温、随用随取。

3.2 焊接时的工艺要求

3.2.1 预 热

齿圈轮毂堆焊预热温度为300～350℃，堆焊层与轮辐的坡口焊预热温度为100～150℃，层间温度不低于预热温度的下限。

3.2.2 焊 接

齿圈、轮毂的堆焊采用埋弧自动焊，多层多道焊接，焊后覆盖石棉缓冷，消应力退火；坡口焊在变位器上旋转到平焊位置施焊，内外环交叉焊接，焊完一面再焊另一面；双面、内外坡口焊完后再焊轮辐之间的筋板焊缝，最后将轮辐之间的联接圆筒装焊上。检查所有焊缝无裂纹，清理焊渣后消应力退火。

4 焊接大齿轮的数值分析

模型描述：现设计焊接大齿轮其外齿圈和轮毂均为锻钢件，外齿圈选用材料为17CrNiMo6渗碳钢，腹板材料为Q345A钢板，轮毂及衬套跨焊件选用35CrMo材料，保证零件的可焊性，再通过焊接及热装工艺方法装配成型（见图1）。在生产前采用数值模拟方法，分析大型齿轮腹板厚度的结构合理性，选用不同厚度的腹板在额定载荷下模拟工作状况，对于此次生产具有较为现实的意义。利用有限元模拟分析不同厚度的腹板使零件产生的位移、变形及应力分布，分析数值结果得出最佳优化设计方案，从而在保证零件使用要求的情况下，优化零件结构，降低生产成本。笔者算例依据零件设计，材料假设弹性模量E=2×10MPa，泊松比μ=0.28，固定载荷T=1000kN/m2，腹板厚度选用20mm、30mm、35mm做有限元模拟分析。

5 结束语

焊接大齿轮既具有齿轮精度高、齿面硬度大、承受载荷大的优点，也具有重量轻、外形美观、成本低、材料利用合理、生产效率高、生产周期短的优点。此外解决了大齿轮铸造工艺的一系列问题，具有很高的推广价值。

参考文献

[1]耿家栋.焊接大齿轮结构合理性分析[J].技术与市场，2016（07）.

[2]朱 熠.焊接大齿轮工艺探讨[J].机电信息，2010（24）.

[3]程娟丽，孔金凤.大型焊接齿轮结构的工艺性及可焊性探讨[J].江苏机械制造与自动化，2000（03）.

收稿日期：2018-11-3

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