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1、齿轮磨损修复及机器人仿真齿轮磨损修复及机器人仿真-机械设计及理论-赵鑫一、选题的意义一、选题的意义 磨损的现象是人尽皆知的，两个相互接触或者是相互运动的物体，都会有不同程度的摩擦发生，有摩擦发生就会有磨损现象发生。根据数据的显示，将近于一半的能源消耗与摩擦和磨损。据美国1975年统计，美国由于腐蚀与磨损而造成的损失每年高达700亿美元。英国1966年著名的约斯特报告称“英国由于磨损而造成的损失高达600亿英镑”。同样，中国每年用于金属表面处理的维修费用，也是十分惊人的。这些损失的形成，45%为磨损，23%为腐蚀，14%为热损坏，18%为其它。从这些比例可以看出，钢铁企业内由于磨损、腐蚀、热损坏
2、等表面破坏比例是相当大的，因此，世界各国各行业对工件的表面处理、强化及修复工艺相当重视。 一、选题的意义一、选题的意义 机械传动中的齿轮直径达数米以上，例如武钢轧板厂四辊轧机，轧机主传动经传动箱人字齿轮轴分配，整体外形尺寸为长5335mm、宽1900mm、高3000mm。这样的齿轮轴按照当年的造价，直接制造费用为260万元以上，可谓是天价。采用技术修复的总费用为33万元，创直接经济效益为220万元以上。这样的例子是举不胜数，水利、水电、冶金、矿山等行业的一些重要设备零件特别是大型齿轮处，由于其载荷大、受力状况复杂、润滑状况不好、工作环境恶劣，齿轮表面的磨损更是严重，有时候就是往往因为一个齿的磨
3、损或断裂就造成了整个零件的报废甚至是整套设备的瘫痪，这其中的经济损失是我们难以预料的。 一、选题的意义一、选题的意义 该课题的研究就是基于上述的主要原因而提出的，该项目的提出即符合了国家节能减排的方针要求，又满足了工厂的生产利益要求，可谓是一举多得。二二 、 国内外研究综述国内外研究综述 磨损理论的研究开始的相对较晚，20世纪50年代初期，美国的科学家阿查德，提出了粘着磨损的理论，该理论认为，摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应使粘着结点剪切断裂，从而造成材料上有许多微体积脱落。阿查德假定磨粒为半球形，其半径等于接触斑点的半径，并由此建立磨损计算公式。该公式至今仍是磨损研究领域的经典公式之一，被
4、广泛地应用于摩擦副的分析和计算中。 1957年，前苏联的H.B.克拉盖尔斯基提出了固体疲劳磨损理论，该理论认为，一个物体的摩擦面发生了破坏，必须多次施加摩擦，这些作用的次数可根据应力状态在定量上加以表示。并根据这一理论对许多摩擦副，如齿轮传动、凸轮机构、汽车轮胎等建立工程用的磨损计算方法。 二二 、 国内外研究综述国内外研究综述 20世纪70年代初期，Sun提出了金属剥削层理论，该理论认为在摩擦过程中，剪切变形不断积累，是表面下一定深度出现位错堆积，进而导致裂纹或空穴，由于平行表面的正应力组织裂纹向正方向延伸，使得裂纹在一定深度沿平行表面的方向扩展最终导致片状磨屑的生成。该理论已被证实是比较完
5、整的一种磨损理论，可以解释许多磨损现象。 同年，Fleisher最先提出能量磨损理论。该理论认为，为了使磨粒脱落，必须使材料的一定体积内累积一定的内能。当能量达到临界值时，该体积内材料会发生塑性流动或形成裂纹，经过一定次数的临界循环作用后，则磨粒发生脱落。三、齿轮磨损概述三、齿轮磨损概述 齿轮磨损的概述主要讨论齿轮的实效形式，齿轮的失效形式一般有：齿面磨损，齿面点蚀，齿面胶合，齿面塑性变形和齿轮折断。 1. 齿面磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。 在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面问存在多种形式的磨损情况。当齿面间落人铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质或粗糙齿面的摩擦时，都会发生磨粒磨损。齿面磨
6、损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严霞时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。三、齿轮磨损概述三、齿轮磨损概述 2. 齿面点蚀 由于齿面接触应力是接脉动循环变化的(其工作表面上任一点产生的接触应力系由零增加到一最大值)，应力经多次反复后，轮齿表层下一定深度产生裂纹。裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹。疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，传动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常jr作而使传动失效。三、齿轮磨损概述三、齿轮磨损概述 3. 齿面胶合 胶合是比较严重的
7、黏着磨损，一般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在I岛速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效，致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成热胶合；发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合。不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。三、齿轮磨损概述三、齿轮磨损概述 4. 齿面塑性变形 塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态
8、而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏。摩壤力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面翅性变形常发生在齿面材料较软、低速霞载的传动中。常出现在低速重载，频繁启动和过载传动中。主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生翅性变形后。齿面沿节线处变成凹槽。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸脊。三、齿轮磨损概述三、齿轮磨损概述 5 轮齿折断 齿轮折断有多种形式，在正常情况下有以下两种： 1）过载折断，因短时过载或冲击载荷而产生的折断，过
9、载折断的断口一般都在齿根位，断口比较平直而且有比较粗糙的特性。 2）疲劳折断，齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中，当齿轮重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断，齿面较小的直齿轮常发生全齿折断。齿面较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；斜齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。 四、齿轮修复的方法四、齿轮修复的方法 齿轮磨损失效是生产实际和设备维护保养中经常遇到的问题。对失效齿轮如何恢复其原有性能，延长其使用寿命并减少投入，节约成本一直是人们所关注的问题。下面将目前常用的齿
10、轮磨损失效修复方法总结如下： 1、调整换位法 调整换位法是将已磨损的齿轮变换方位，利用齿轮未磨损或磨损较轻的另一齿面继续工作的方法。采用这种方法的前提是齿轮单向受力运转或齿面单面磨损。由于这种方法能以最经济的方式实现齿轮的180。翻转，因而在生产中得到了广泛的应用。四、齿轮修复的方法四、齿轮修复的方法 2、变位切削法 变位切削法是将一对磨损后的齿轮中的大齿轮进行负变位切削，去掉磨损部分，另外更换一个新的小齿轮与大齿轮相配，从而恢复齿轮传动性能的修复方法。采用变位切削法修复齿轮时，必须进行必要的验算，以确定变位量，防止根切、齿顶变尖、齿形干涉现象。该方法适用于小齿轮磨损严重，大齿轮磨损较轻的情况
11、，可有效地节约材料，缩短了修复时间。 3、堆焊修复法 堆焊修复法是用堆焊的方法填补轮齿损坏部位，并进行加工处理使其恢复使用性能的齿轮修复方法。一般在齿轮发生严重磨损、严重点蚀或剥落时使用。采用堆焊修复法修复的轮齿，在可能的情况下应尽量使其避开冲击载荷，以防止焊料脱落。通常，对尺寸较大而且重要齿轮的损伤用堆焊法可获得重大经济效益，并且还可尽快恢复生产。四、齿轮修复的方法四、齿轮修复的方法 4、刷镀修复法 刷镀修复法是用吸有镀液的镀刷，对磨损失效的齿轮进行电镀，从而使其恢复规定的表面粗糙度的修复方法。由于镀层中存在大量超细晶粒，因而具有强化镀层，防护磨损的齿轮表面，提高强度和耐磨性等优点。现阶段将
12、纳米颗粒加入到常规电刷镀液中，还可以得到性能更加优越的纳米电刷镀复合镀层。 5、 金属涂敷法 金属涂敷法是在磨损后的齿面上涂以金属粉或合金粉层，再进行热处理或机械加工，从而使齿轮恢复到原来尺寸精度的齿轮修复方法。该方法不仅适用于模数较小，不便于用堆焊等工艺进行维修的齿轮修复，而且随着涂敷技术的发展，其在大模数齿轮修复上也开始应用，并可在齿面上获得高耐磨性及其它特性的覆盖层。四、齿轮修复的方法四、齿轮修复的方法 6 、 腐蚀再生修复法 腐蚀再生修复法是利用特殊的润滑油添加剂使磨损失效齿面腐蚀而恢复原有性能的修复方法。这种修复方法可在短时间内消除齿轮表面凸起，使齿面发生微塑性变形削峰增合，从而有效
13、抑制齿面破坏，提高齿轮的承载能力。适用于尺寸大，传动精度要求不高的齿轮修复。 7 、 镶齿修复法 镶齿修复法即在原齿轮的根部开一个燕尾槽镶入轮齿，再用螺钉将轮齿毛坯固定在原齿轮上，并将各螺钉焊成一体，然后加工成所需齿形的方法。一般用于修复受载不大，个别齿轮发生严重损伤的轮齿折断的情况。对于严重的齿面磨损，可将失效轮齿锯掉，再采用镶齿修复法。五、课题综述五、课题综述 齿轮磨损的形式多种多样，修复的形式也多种多样，该课题考虑的是齿轮在正常的磨损下得修复。 五、课题综述五、课题综述五、课题综述五、课题综述五、课题综述五、课题综述 2、 智能检测系统 检测系统可以分为两大类。第一类是通用检测系统，以通
14、用检测仪器为主，如示波器、万用表；第二类为专用检测系统，用于特殊的目的，如医疗、地震、航空等。智能检测系统和所有计算机系统一样，有硬件、软件两大部分组成。硬件部分主要包括传感器、信号采集系统、处理系统、处理芯片、输入输出接口与输出隔离驰动电路；软件部分主要包括系统的各种程序。 在齿轮的磨损试验中测量磨损量和磨损状态的方法有：称重法，是测量精度较高的方法，但要有高杆量的分析天平；几何尺寸或形状比较法，可以测量不同磨损程度的齿厚、公法线、基节等。智能检测系统通过检测传感器的变化而产生的电信号，通过信号调理送到cpu，经过cpu的处理后的到数据。这种检测系统要比传统的检测系统的精度要高很多。 3 、
15、人工神经网络 人工神经网络是由大量的处理单元组成的非线性大规模自适应的动力系统，它是在现代神经生理科学研究成果的基础上提出来的。人们对智能传感器的认识随着科学技术的不断发展而逐步深入，随着人工智能技术的发展，人们更加注重其智能化功能，一个真正意义上的智能传感器必须具备学习、推理、感知及管理等功能。神经网络它具有高度非线性描述能力，在实际的应用中，神经网络是根据对象的输入和输出信息，不断的对网络进行学习，实现从输入参数到输出参数的非线性映射，同时它还可以根据来自机理模型和实际运行对象的新数据样本进行自适应学习。神经网络种类繁多，与智能传感器系统结合广泛应用于非线性校正、分类诊断识别等众多的领域。
16、 该课题主要是通过标准齿轮齿面结构尺寸和智能检测系统的测量值，通过神经网络理论，计算出齿面轮廓磨损后应补偿的量。 五、课题综述五、课题综述4 、 针对每一个齿面磨损程度不同，进行数控补偿 通过神经网络计算出应补偿的量，用CAXA制造工程师生成三维实体的模型，在制造工程师中我们生成堆焊好的齿轮模型，首先根据齿轮的标准尺寸进行铣削加工，然后根据齿轮表面粗糙度的要求，根据不同的齿轮要求，我们确定是精加工还是半精加工。这里的关键点包括扩加工方式的选取、走刀路线的选择、刀具的选择、加工的方针模型以及G代码的生成。对磨损修复完成后的齿轮，理论上和磨损之前的应力状态是一样的，但是为了防止出现意外，我们将其修复好的模型导入到ANSYA软件，对其进行应力应变的分析，查看磨损前和磨损修复的齿轮应力应变的状态，检查的部位有两个，一个是齿根处，另一处是吃面轮廓的修复处。 修复完后的齿轮在尺寸规格上应和磨损前的一模一样，经过应力应变的分析后，修复前和修复后的应力应变在齿根处和齿廓面处的也应该一样，这是我们想要得到的最终结果。五、课题综述五、课题综述
