１ 前 言济南钢铁集团石横特殊钢厂（简称石横特殊钢厂）中型材车间５００ｍｍ型钢轧机机列 的关键设备——５００ｍｍ齿轮座在１９９８年５月３日正常生产过程中，上齿轮轴突然断裂， 断裂部位如图１所示。齿轮轴主要参数见表。齿轮轴主要参数长度ｍｍ材质质量ｋｇ法向模数ｍｎ 分度圆直径ｍｍ２４８５４０Ｃｒ调质处理２３６０１８５００ 一套齿轮座有三根人字齿轮轴 ，此上轴断裂后，如果重新制造一根轴，将不能与另两根轴良好啮合；而制造三根则需耗资２０余 万元，且制造周期至少要９０ｄ时间，所以决定采用镶装方法修复此轴。２ 修复方案２．１ 方 案的拟定首先，在车床上夹持Ａ端，将中心架置于人字齿中间空刀位置，将断裂部位沿齿轮端面以 外部分全部车去，并在此端面上加工一３００ｍｍ、深４００ｍｍ的孔，选择合适的过盈量，采 用热装配法镶入一３００ｍｍ、材质为４０Ｃｒ调质（粗加工）的接轴，再进行整体精加工。２ ．２ 设计计算５００ｍｍ型钢轧机机列传动简图见图２。２．２．１ 确定传递力矩Ｔ 因为 齿轮座将主减速机的扭矩传递分配给轧辊，其齿轮轴传递力矩Ｔ应为齿轮座齿轮轴的最大传递力矩 ；又因为齿轮座齿轮图１ 齿轮轴断裂部位示意图图２ ５００ｍｍ型钢轧机机列传动简图１电 动机 ２主减速机 ３联接轴 ４齿轮座 ５齿轮座上齿轮轴６梅花套 ７联接轴 ８５００型钢 轧机 ９轧辊轴的最大传递力矩不大于齿轮轴齿轮强度计算中的计算力矩Ｍ，所以确定传递力矩Ｔ 为：Ｔ＝Ｍ〔１〕（１）２．２．２ 确定齿轮座齿轮轴齿轮强度计算力矩Ｍ 当已知电动机功率 时：Ｍ＝ＫＭｄｍａｘ（２）式中 Ｋ——扭矩分配系数，Ｋ值为０．５～０．７，当电动机功率 已知时，Ｋ取０．５；Ｍｄｍａｘ——电动机的最大力矩，Ｎ·ｍ。Ｍｄｍａｘ＝９５５５Ｎｍａ ｘηｉ／ｎ（３）式中 Ｎｍａｘ——电动机的最大功率，因为电动机为冶金用绕线式电动机，其 过载系数为１．７～２．８，电动机额定功率Ｎｅ为１６００ｋＷ，所以Ｎｍａｘ＝２．８Ｎｅ＝ ４４８０（ｋＷ）；ｎ——电动机的转数，为５９０ｒ／ｍｉｎ；ｉ——减速机的总传动比，为６ ．６１９；η——减速机和联轴器的总传动效率，取０．９４〔２〕。将以上数据代入（２）、（ ３）式得：Ｍｄｍａｘ＝４５１４１５．９８（Ｎ·ｍ） 所以齿轮轴传递力矩Ｔ＝Ｍ＝２２５ ７０８（Ｎ·ｍ）２．２．３ 确定过盈量［δｍｉｎ］、［δｍａｘ］（１）确定传递载荷所需 最小结合压强［Ｐｆｍｉｎ］：Ｐｆｍｉｎ＝２０００Ｔ／πｌｆｄ２ｆμ（４）式中 ｄｆ—— 结合直径，３００ｍｍ；ｌｆ——结合长度，４００ｍｍ；μ——摩擦系数，取μ为０．１。代入 （４）式得：Ｐｆｍｉｎ为３９．９ＭＰａ。（２）确定齿轮轴传递载荷所需最小直径变化量ｅａ ｍｉｎ：ｅａｍｉｎ＝Ｐｆｍｉｎｄｆｃａ／Ｅａ（５）ｃａ＝（１＋ｑ２ａ）／（１－ｑ２ａ） ＋ｖａ（６）式中 ｑａ——直径比，ｑａ＝ｄｆ／ｄａ；ｄａ——齿轮轴最大外径，取ｄａ为５ ００ｍｍ；Ｅａ——齿轮轴材料的弹性模量，２０００００ＭＰａ；ｖａ——齿轮轴材料的泊松比 ，取０．３。代入（５）、（６）式得：ｅａｍｉｎ为０．１４５１ｍｍ。（３）确定接轴传递载 荷所需最小直径变化量ｅｉｍｉｎ：ｅｉｍｉｎ＝Ｐｆｍｉｎｄｆｃｉ／Ｅｉ（７）ｃｉ＝（１＋ ｑ２ｉ）／（１－ｑ２ｉ）－ｖｉ（８）式中 Ｅｉ——接轴材料的弹性模量，２０００００ＭＰ ａ；ｑｉ——直径比，ｑｉ＝ｄｉ／ｄａ；ｄｉ——接轴最小内径，ｄｉ为０；ｖｉ——接轴材料 的泊松比，０．３。代入（７）、（８）式得：ｅｉｍｉｎ为０．０４１９ｍｍ。（４）确定联接 传递载荷所需最小有效过盈量δｅｍｉｎ：δｅｍｉｎ＝ｅａｍｉｎ＋ｅｉｍｉｎ〔２〕（９） 将ｅａｍｉｎ、ｅｉｍｉｎ代入（９）式得：δｅｍｉｎ为０．１８７ｍｍ。（５）考虑压平后 的最小过盈量δｍｉｎ：因为用温差法装配〔２〕，所以δｍｉｎ＝δｅｍｉｎ＝０．１８７（ｍ ｍ）（６）确定齿轮轴不产生塑性变形所允许的最大结合压强Ｐｆａｍａｘ〔２〕Ｐｆａｍａｘ＝ ａ·σｓａ（１０）式中 σｓａ——齿轮轴材料的屈服极限，７８５ＭＰａ；ａ——系数，ａ＝ （１－ｑ２ａ）／（３＋ｑ４ａ）０．５。代入（１０）式得：Ｐｆａｍａｘ为２８４ＭＰａ。（ ７）确定接轴不产生塑性变形所允许的最大结合压强Ｐｆｉｍａｘ：Ｐｆｉｍａｘ＝ｃ·σｓｉ（ １１）式中 σｓｉ——接轴材料的屈服极限，７８５ＭＰａ；ｃ——系数，ｃ＝（１－ｑ２ｉ） ／２〔２〕＝０．５。代入（１１）式得：Ｐｆｉｍａｘ为３９２．５ＭＰａ。（８）确定联接件 不产生塑性变形的最大结合压强Ｐｆｍａｘ：Ｐｆｍａｘ取Ｐｆａｍａｘ与Ｐｆｉｍａｘ中的较小 者〔２〕，所以：Ｐｆｍａｘ＝Ｐｆａｍａｘ＝２８４（ＭＰａ）（９）确定齿轮轴不产生塑性变 形所允许的最大直径变化量ｅａｍａｘ：ｅａｍａｘ＝Ｐｆｍａｘｄｆｃａ／Ｅａ（１２） 将 数值代入（１２）式得：ｅａｍａｘ为１．０３３１ｍｍ。（１０）确定接轴不产生塑性变形所允 许的最大直径变化量ｅｉｍａｘ：ｅｉｍａｘ＝Ｐｆｍａｘｄｆｃｉ／Ｅｉ（１３） 将数值代 入（１３）式得：ｅｉｍａｘ为０．２９８２ｍｍ。（１１）确定联接件不产生塑性变形所允许的 最大有效过盈量δｅｍａｘ：δｅｍａｘ＝ｅａｍａｘ＋ｅｉｍａｘ〔２〕（１４） 将以上数 据代入（１４）式得：δｅｍａｘ为１．３３１３ｍｍ。（１２）确定选择配合的要求［δｍｉｎ ］、［δｍａｘ］〔２〕：保证过盈联接传递给定的载荷［δｍｉｎ］＞δｅｍｉｎ＝０．１８７ ｍｍ保证联接件不产生塑性变形［δｍａｘ］≤δｅｍａｘ＝１．３３１３ｍｍ２．２．４ 确定 基本过盈量δｂ 因为齿轮轴上加工孔的位置处于啮合区域，又因为齿根圆直径为４５５ｍｍ， 如果过盈量太大，将会降低联接件材料强度储备，所以取δｍｉｎ＜δｂ＜（δｍｉｎ＋δｅｍａ ｘ）／２〔２〕 即 ０．１８７＜δｂ＜０．７５９２２．２．５ 确定基本偏差代号，选定 配合，定出最大过盈和最小过盈量［δｍｉｎ］、［δｍａｘ］ 考虑装配的难易程度，同时考虑 若采取较大的过盈量，则在齿轮轴中将产生较大应力，所以初步确定基本过盈量δｂ在０．３５ｍ ｍ左右，同时确定孔与轴的公差等级均为ＩＴ７。满足此条件的配合为：Ｈ７／ｕ７。 ３００ Ｈ７的偏差为：３０００＋０．０５２ ３００ｕ７的偏差为：３００＋０．３５＋０．４０２ 所以［δｍａｘ］＝０．４０２（ｍｍ） ［δｍｉｎ］＝０．３５－０．０５２＝０．２９８ （ｍｍ） ［δｍａｘ］＜［δｅｍａｘ］＝１．３３１３（ｍｍ） ［δｍｉｎ］＞δｍｉ ｎ＝０．１８７（ｍｍ）２．２．６ 校核计算（１）齿轮轴的最大应力σａｍａｘ：σａｍａｘ ＝［Ｐｆｍａｘ］／ａ（１５）式中 ［Ｐｆｍａｘ］＝［δｍａｘ］／［ｄｆ（ｃａ／Ｅａ＋ｃ ｉ／Ｅｉ）］＝８５．７６ＭＰａ〔１〕代入（１５）式得：σａｍａｘ为２３７ＭＰａ，小于σ ｓａ。（２）接轴的最大应力σｉｍａｘ：σｉｍａｘ＝［Ｐｆｍａｘ］／ｃ〔１〕（１６） 将ｃ＝０．５代入（１６）式得：σｉｍａｘ＝１７１．５２（ＭＰａ）＜σｓｉ （３）齿轮 轴的外径扩大量Δｄａｍａｘ（分度圆直径上）：Δｄａｍａｘ＝２［Ｐｆｍａｘ］ｄａｑａ２／ Ｅａ（１－ｑａ２）〔２〕（１７） 将［Ｐｆｍａｘ］＝８５．７６ＭＰａ，ｄａ＝３００ｍ ｍ，ｑａ＝０．６，Ｅａ＝２０００００ＭＰａ代入（１７）式得：Δｄａｍａｘ＝０．１４５（ ｍｍ） 因为此轴已使用一年半，齿面产生了一定磨损，所以齿轮轴分度圆直径上产生这些扩大 量，不会对啮合产生影响。２．２．７ 确定装配温度ｔｒｔｒ＝ｅａｔ／αａｄｆ（１８）式中 ｅａｔ——齿轮轴热装孔的热涨量，ｅａｔ＝［δｍａｘ］＋Δ，［δｍａｘ］＝０．４０２ｍ ｍ；Δ——热装最小间隙，取０．１０１ｍｍ；αａ——齿轮轴材料的线膨胀系数为，１．１×１ ０－５／℃。代入（１８）式得：ｔｒ为１５２．４℃。３ 设计、装配及应用效果齿轮轴热装孔 设计如图３所示。图３ 齿轮轴热装孔示意图孔深实际为４３０ｍｍ，去掉２０ｍｍ的退刀槽，实 际过盈面深４１０ｍｍ，另外在退刀槽上相对位置加工两个１２ｍｍ孔，以便热装时排气，为便 于控制热装深度，在孔底部放置一厚２０ｍｍ的环形工件。在热装时，由于设备有限，用割矩对齿 轮轴装配部位均匀加热，在加热同时，用量具测量内孔尺寸，当测得内孔已涨出足够余量时，将轴 装入，待冷却后，整体精加工至要求尺寸。修复的齿轮轴自１９９８年６月份开始使用至今１４个 月，此间也曾多次发生断辊、断梅花套事故，但齿轮轴一直正常。φ500mm型钢轧机齿轮座齿 轮轴断裂修复@吕宏奇$济南钢铁集团石横特殊钢厂@王太宁$济南钢铁集团石横特殊钢厂@石磊$泰安市化工技校齿轮座;;人字齿轮轴;;修复;;断裂;;热装采用镶装方法，对５００ｍｍ型钢轧机齿轮座人字齿轮轴断裂进行修复，经合理计算各参数并校核，确定了修复方案。修复后的齿轮轴使用效果良好。1 马鞍山钢铁设计院.中小型轧钢机械设计与计算. 北京∶冶金工业出版社,1979.282～283
2 东北大学《机械零件设计手册 编写组. 机械零件设计手册(第三版)北京∶冶金工业出版社,1994.618～631３１ｍｍ。（１０ ）确定接轴不产生塑性变形所允许的最大直径变化量ｅｉｍａｘ：ｅｉｍａｘ＝Ｐｆｍａｘｄｆｃ ｉ／Ｅｉ（１３） 将数值代入（１３）式得：ｅｉｍａｘ为０．２９８２ｍｍ。（１１）确定 联接件不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量δｅｍａｘ：δｅｍａｘ＝ｅａｍａｘ＋ｅｉｍａ ｘ〔２〕（１４） 将以上数据代入（１４）式得：δｅｍａｘ为１．３３１３ｍｍ。（１２） 确定选择配合的要求［δｍｉｎ］、［δｍａｘ］〔２〕：保证过盈联接传递给定的载荷［δｍｉｎ］＞δｅｍｉｎ＝０．１８７ｍｍ保证联接件不产生塑性变形［δｍａｘ］≤δｅｍａｘ＝１
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