毕业设计齿轮模拟故障试验台设计齿轮箱设计.docx
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毕业设计齿轮模拟故障试验台设计齿轮箱设计
毕业设计-齿轮模拟故障试验台设计——齿轮箱设计
齿轮模拟故障试验台设计?
?
齿轮箱设计
摘要:
齿轮模拟故障实验台,能够方便地模拟齿轮设备的典型故障,方便了科研人员进行故障诊断方法的研究验证过程,也为齿轮的故障诊断提供依据,节省了科研人员花费在布置实验的时间和精力。
该实验台还可用于教学实践中,提高学习认知水平。
设计齿轮模拟故障实验台就显得非常有必要。
本文通过了解国内外齿轮模拟故障实验台的模拟器结构设计的现状,设计了一种能模拟6种典型故障的齿轮模拟实验台,操作者能在运行中能连续观察齿轮从正常到发生故障的信号变化过程和故障齿轮啮合的合成信号。
本文完成了模拟器的总体方案分析和设计;重点计算了减速箱的结构尺寸、齿轮的几何参数和精度等级;设计了输入花键轴、输出花键轴、中间轴的结构尺寸,并进行了强度校核和精确校核;估算了各轴承的工作寿命,并校核了花键、平键强度。
关键词:
齿轮;减速箱;设计;故障;模拟
科GearSimulatedFailureTestPlatformDesign
--GearBoxDesign
Abstract:
GearsimulatedfailuretestplatformcanberepresentativeoftheequipmentfailurebeingeasyforresearchpersonneltocarryondiagnosisstudyandthevalidationprocessAlsoitprovidesaccordanceforthediagnosesoffailuregear.Atthesametime,ithelpsscientificresearchpersonnelintheexperimentoftimeandenergy.Theexperimentalstagealsocanbeusedinteachingpracticeandimprovethelevelofcognition.Therefore,itisverynecessarytodesignagearsimulatedfailuretestplatform.
Bylearningtheprocessofstructuraldesignofanemulatorwhichisonepartofgearsimulatedfailuretestplatform,Ihavedesignedasimulationofsixkindsofrepresentativeoftheexperimentinthisarticle.Operatorscanobserveconsecutivelythesignalofthegearfromnormaltothewrongandthesynthesissignalofthetwomeshinggear.Thispapercompletedthegeneralschemeanalysisanddesigncalculationsofthesimulator,designedthesizesofthegearbox,thestructureofthegeometryoftheparametersandprecisionlevelandcalculatedthestructureparametersoftheentershaft,theoutputaxisandtheintermediateshaft.Then,Icheckthestrengthandcarryonthepreciselycoresize.Atlast,Iestimatedtheworkinglifeofallthebearingscheckedthestrengthofallkeys.
Keywords:
gear;decelerator;design;breakdown;simulation
1绪论1
1.1齿轮模拟故障实验台的设计意义1
1.2国内外齿轮故障模拟实验台的发展概况1
1.3工作内容与设计方法2
2减速器设计4
2.1总体方案设计4
2.2初步确定减速器结构和零部件类型5
2.3定传动方案6
2.3.1选择电机6
2.3.2确定传动比和分配传动比6
2.3.3计算运动和动力参数6
2.4减速器结构7
2.4.1高速级齿轮设计计算级结构说明7
2.4.2低速级齿轮设计计算级结构说明8
2.4.3减速器附件的名称、位置和作用11
2.5齿轮的结构设计及精度选择11
2.5.1小花键齿轮11
2.5.2双联齿轮13
2.5.3三联齿轮17
2.5.4大花键齿轮21
2.5.5齿轮传动系统的传动特性23
2.6铸铁减速器机体结构尺寸24
3轴的结构设计与校核27
3.1材料选择27
3.2输入轴结构设计与校核27
3.3中间轴结构设计与校核31
3.4输出轴结构设计与校核38
4滚动轴承的校核44
4.1输入轴上滚动轴承校核44
4.2中间轴上滚动轴承校核44
4.3输出轴上滚动轴承校核44
5键的选择与校核46
5.1平键的选择与校核46
5.1.1输入轴上键的选择与校核46
5.1.2中间轴上键的选择与校核46
5.1.3输出轴上键的选择与校核47
5.2花键的选择与校核47
5.2.1输入轴上花键的强度计算47
5.2.2输出轴上花键的强度计算48
5.3注意事项48
结论49
参考文献错误!
未定义书签。
致谢52
1绪论
1.1齿轮模拟故障实验台的设计意义
齿轮装置广泛应用于国民经济各部门,齿轮装置的运行状态直接影响着企业设备及人身安全和生产效益。
使用科学的方法对齿轮装置的运行状态进行监测和判断,从而了解运行质量,防止故障发生,对企业的设备管理和经济效益都有重要价值【1】。
齿轮故障诊断方法的研究是设备故障的热点问题。
各种故障诊断方法的使用范围、优缺点等问题都要实践的检验。
通过实验装置模拟齿轮的各种故障,进而方便地在实验装置上进行各种有针对性的实验以对诊断方法进行检验是很有意义的。
作为机器的重要零件的齿轮的故障实验研究日益受到人们的重视。
一方面,如果只有理论研究而没有实验研究,那么齿轮各种诊断方法的有效性、准确性、优缺点等问题的研究就不能建立在科学的基础之上【2】。
另一方面,国内在齿轮箱故障诊断上做的工作较多,但主要是根据现有的设备,对测得的振动时域或频域波形进行事后分析。
因此,试制齿轮传动故障模拟试验台,以为齿轮的故障诊断提供依据,就显得非常有必要。
齿轮模拟故障试验台的是一种用来模拟齿轮故障振动的实验装置,通过对故障的模拟、故障振动信号的采集、传输、分析,达到实验、分析、建立诊断数据库与频谱图像的目的,为齿轮箱的故障诊断提供有效地依据。
可以测试不同转速（0~3000r/min）、不同载荷、不同故障齿轮的振动、噪声、声发射等动态信号。
1.2国内外齿轮故障模拟实验台的发展概况
齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着,是一种不可缺少的机械传动装置。
目前科研单位所用的齿轮箱实验台绝大多数是机械功率封闭性型或电功率封闭性运转式齿轮实验台,主要用于观测单个或单对齿轮某一项故障的发展过程。
虽然成本低、便于安装、便于观察测量,但是观察不同的故障必须更换齿轮试件,且一次实验只能同时观察一种故障,不便于齿轮故障方法的研究。
如国外FZG的CL-100齿轮试验机能完成下列实验:
通过西德润滑实验标准方法,即FZG齿轮油实验来确定有齿轮油引起的齿轮擦伤负荷和重量变化。
确定有不同材质制成的齿轮,其齿面承载能力的强度曲线。
确定有不同材质制成的齿轮,其齿跟承载能力曲线。
齿面疲劳强度实验。
轮滑油剪切安定性测定法实验。
国内设计的一种机械设备故障诊断综合实验台,包括动力源部分、故障模拟器部分、检测部分。
动力源部分,有交流电机和调速器组成;故障模拟器部分,有各类齿轮、轴承、联轴器、动不平衡模拟器、载荷设备组成;检测部分,有各类传感器组成,电机与故障模拟部分靠轴计齿轮啮合连接,该实验台可以给学员提供设备的各种故障来进行学习和训练,实验台诊断功能全面,可以真实的模拟工程中,机械设备中十多种常见的设备故障现象。
该设备也是进行各种机械设备故障诊断研究实验的可靠工具。
其特征在于实验包括:
动力源部分,由交流电机和调速器组成;故障模拟器部分,由可更换的各类无损坏、损坏和有缺陷的直齿轮、斜齿、人字齿轮、滚动轴承、滑动轴承、静压轴承及各类联轴器、动不平衡模拟器、载荷设备组成;检测部分,由加速度、速度、位移、温度、力、压力传感器组成,其中调速器装在点电机上电机通过联轴器与故障模拟部分的输入轴连接。
载荷设备通过联轴器与输出轴连接,检测部分的加速度、速度、位移、温度传感器装在载荷设备的轴承座上。
1.3工作内容与设计方法
本文齿轮故障模拟实验台由直流发电机、加载电机、直流调速加载系统、齿轮减速箱构成。
本文是对该试验台的故障模拟器部分齿轮箱进行设计,以实现6种故障模拟,全部集中在中间轴上,一根安装在齿轮箱内（三种故障）,一根备用轴（三种故障）,更换时整根轴系（包括:
轴承、轴、齿轮）一起换,使用比较方便。
本齿轮模拟故障实验台可通过齿轮换挡或更换齿轮箱中间轴组件实现不同故障齿轮的啮合。
实验台配置的故障齿轮有:
轮齿疲劳裂纹、断齿、齿面点蚀、单齿齿面剥落、一对对称齿齿面疲劳剥落、齿面磨损、齿轮偏心。
齿轮箱上设有油标,内设有输入花键轴、输出花键轴,输出花键轴和输入花键轴之间有过渡轴,输出花键轴、输入花键轴、中间轴不再同一平面上。
输入花键轴上安装有第一花键齿轮,输出花键轴上安装有第二花键齿轮,中间轴上安装有两个齿轮构成的二联齿轮以及一个三联齿轮或多联齿轮。
第一花键齿轮与二联齿轮啮合,第二花键齿轮与三联齿轮啮合。
在第一花键齿轮和第二花键齿轮旁边分别装有第一拨叉换位装置和第二拨叉换位装置,在运行中由第一、第二拨叉换位装置拨动二联齿轮、三联齿轮或多联齿轮,即可连续模拟多种齿轮故障。
拆开齿轮箱箱盖后,只暴露给实验者中间轴的齿轮、档油盘、轴承。
更换中间轴时,其他两根轴固定装态不变化,更换中间轴后不需要调整两根轴的轴向位置,更换过程较为简单。
当拆卸箱盖更换中间轴的故障齿轮时,只需要卸下中间轴轴承旁螺栓和中间轴上端盖,拆卸过程较短。
反之,当合上箱盖时,也只需较短的装配时间,齿轮箱的上述三根轴的空间装置,横向尺寸小,结构紧凑。
二联三联或多联齿轮经由拨叉换位装置,在运行中连续模拟多种故障,通过拨叉装置拨动齿轮的组合结果,可方便观察齿轮的各种故障信号。
手柄经手柄轴、摆杆,通过销轴使滑块拨动被操纵件,这种操纵方式结构简单、应用普遍。
操纵机构靠手柄座上的钢球来定位,钢球在弹簧作用下压入定位坑中实现定位。
钢球定位的结构简单,使用方便、制造容易。
2减速器设计
2.1总体方案设计
通过了解国内外齿轮模拟故障实验台的模拟器结构设计的现状,设计了一种能模拟6种典型故障的齿轮模拟实验台,操作者能在运行中能连续观察齿轮从正常到发生故障的信号变化过程和故障齿轮啮合的合成信号。
齿轮故障模拟实验台由直流发电机、加载电机、直流调速加载系统、齿轮减速箱构成。
减速器总体方案如图2-1所示。
图2-1减速器总体设计方案
本齿轮模拟故障试验台可通过齿轮换挡或更换齿轮箱中间轴组件实现不同故障齿轮的啮合。
试验台配置的故障齿轮有:
断齿、齿面点蚀、单齿齿面剥落、一对对称齿面疲劳剥落、齿面磨损、齿轮偏心。
如图2-2、图2-3所示。
本试验台为齿轮模拟故障试验台,故选用圆柱齿轮减速器。
其中部分传动齿轮有故障齿。
齿面均匀磨损正常偏心正常点蚀剥落正常正常对称剥落断齿
图2-2中间轴组件1故障设置图2-3中间轴组件2故障设置
2.2初步确定减速器结构和零部件类型
2.2.1.1减速器的传动级数
减速器的传动级数为两级传动。
2.2.1.2确定传动件布置形式
减速器传动件采用展开式。
主要考虑齿轮模拟故障和实现两级传动的需要,以及满足浸油润滑的要求。
2.2.1.3初选轴承类型
轴承主要承受径向载荷,且转速较高,故采用深沟球轴承。
（1）调整:
实现双支点各单向固定的支撑,这种轴承在安装是,通过调整端盖断面与外壳之间垫片的厚度,使轴承外圈与端盖之间留有很小的轴向间隙,以适当补偿轴受热伸长。
（2）固定:
由挡油板和轴承端盖实现轴向固定,轴承端盖结构如图4所示。
（3）润滑:
轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力,还可以起到散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。
初选脂润滑。
（4）密封:
轴承的密封装置是为了阻止灰尘、水、酸气和其他杂物进入轴承,并阻止润滑剂流失而设置的。
初选接触式的毡圈油封。
2.2.1.4决定减速器机体结构
由于在试验过程中需要更换中间轴,故将中间轴布置在水平剖分面上,为了减小减
速器的总体尺寸,故将相啮合的两齿轮中心线旋转一定的角度。
选择联轴器类型
初选膜片联轴器。
膜片联轴器结构比较简单,弹性元件的连接没有间隙,不需润滑,维护方便,平衡容易,质量小,对环境适应性强,主要用于载荷比较平稳的高速转动。
2.3定传动方案
2.3.1选择电机1.驱动与加载电机
1驱动电机为直流电动机:
型号:
Z2-12,
额定转速:
3000r/min,
额定功率:
1.1kw,
额定电压:
220V,
额定电流:
6.41A。
2加载电机为直流电动机:
型号:
Z2-42,
额定转速:
750r/min,
额定功率:
1.5kw,
额定电压:
230V,
额定电流:
9.16A。
2.3.2确定传动比和分配传动比
（1）齿轮减速箱的变速级数:
两级变速,采用展开式齿轮减速器。
（2）分配传动比:
2.5,1.6。
2.3.3计算运动和动力参数
将传动装置各轴由高速值低速以此定为1轴、2轴、3轴、4轴,以及
,……为相邻两轴间的传动比;
,……为相邻两轴间的传动效率;
,……为各轴的输入功率（kw）;
,……为各轴的转速（r/min）。
各轴转速由文献[3,9~11]可知,
1轴:
r/min（2-1）
2轴:
r/min（2-2）
3轴:
r/min（2-3）
4轴:
r/min（2-4）
2.3.3.2各轴输入功率
齿轮联轴器的效率取0.99,齿轮传动副效率0.97。
由文献[3,12~15]可知,
1轴:
kw（2-5）
2轴:
kw（2-6）
3轴:
kw（2-7）
4轴:
kw（2-8）
各轴输入转矩
由文献[3,16~21]可知,
电机轴:
N?
m（2-9）
1轴:
N?
m（2-10）
2轴:
N?
m（2-11）
3轴:
N?
m（2-12）
4轴:
N?
m（2-13）齿轮传动系统的运动和动力参数如表2-1所示。
表2-1齿轮传动系统的运动和动力参数
轴号电动机两级圆柱齿轮减速器加载电机0轴1轴2轴3轴4轴
转速r/min300030001200750750
功率（kw）1.101.091.061.031.02
转矩（N.m）3.503.478.4113.0612.93
2.4减速器结构
2.4.1高速级齿轮设计计算级结构说明
2.4.1.1选定齿轮类型、精度等级、材料级齿数
（1）按图3-1的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动。
（2）实验台减速器齿轮转速较高,故选用7级精度。
（3）材料选择。
选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（常化）,硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。
（4）计算小齿轮传递的扭矩
（5）取齿宽系数。
（6）取弹性影响系数
（7）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限。
（8）预期寿命为20年,两班制,一年按300天计
应力循环次数
2.4.1.2按齿根弯曲强度设计
（2-14）
（1）确定各计算数值
a.小齿轮的弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲强度极限。
b.取弯曲疲劳寿命系数,;
c.计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数,由式（10-12）得:
2-152-16
d由文献[1]查得:
,,
计算载荷系数K:
2-17e查取齿形系数:
由表10-5查得,。
f查取应力校正系数:
由表10-5查得,。
g计算大小齿轮的并加以比较。
（2-18）（2-19）
大齿轮的数值大。
2）设计计算:
由公式（4-1）得,（2-20）
取。
按齿轮的接触疲劳强度计算。
1）.试算小齿轮的分度圆直径31.5mm,取mm。
2.计算圆周速度v。
7.86m/s。
3）.计算齿宽b。
b0.450mm25mm。
4）.计算齿宽齿高之比b/h。
模数。
齿高:
h2.254.327,b/h5.778。
5）.根据,7级精度,查得动载系数,直齿轮,,查得使用系数,查得7级精度,小齿轮相对支撑非对称布置时,,由b/h5.778,,得,故载荷系数1.354
6）.50.68mm。
7）.计算模数m。
m1.949
.几何尺寸的计算。
取模数m2,考虑到各轴的配置,齿轮的分度圆直径不宜过小,取,,,。
。
取。
高速级圆柱齿轮传动参数如表2-2。
名称代号
单位小齿轮大齿轮模数
mmmmmm压力角
中心距mm传动比啮合角齿宽系数齿数分度圆直径mmmmmm基圆直径mmmmmm齿顶圆直径mmmmmm齿根圆直径mmmmmm齿宽
mmmmmm
材料及齿面硬度HBS调质
钢常化齿顶高mmmmmm齿根高mmmmmm全齿高mmmmmm表2-2高速级圆柱齿轮传动参数
2.4.2低速级齿轮设计计算级结构说明
2.4.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料级齿数
（1）按图3-1的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动。
（2）实验台减速器齿轮转速较高,故选用7级精度。
（3）材料选择。
由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（常化）,硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。
（4）选小齿轮齿数,大齿轮齿数。
2.4.2.2按齿根弯曲强度设计
（2-21）
1确定各计算数值
a.由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲强度极限。
b.由图10-18取弯曲疲劳寿命系数,;
c.计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数,由式（10-12）得:
2-22（2-23）
d.由文献[1]查得:
,,
计算载荷系数K:
（2-24）
e.查取齿形系数:
由表10-5查得,。
f.查取应力校正系数:
由表10-5查得,。
g.计算大小齿轮的并加以比较。
（2-25）
（2-26）
大齿轮的数值大。
2）设计计算:
由公式（4-21）得,
（2-27）
取。
2.4.2.3按接触疲劳强度计算。
（1）确定各参数值。
1）试选载荷系数。
2）计算小齿轮的传递的扭矩。
。
3）取齿宽系数。
4）取弹性影响系数。
5）按齿面硬度差得小齿轮的接触疲劳强度极限,大齿轮的接触疲劳强度极限。
6）预期寿命20年,2班制,一年按300天计,
应力循环次数。
7）接触疲劳寿命系数8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%,安全系数s1,由式（10-12）得:
。
（2）设计计算。
1试算小齿轮分度圆直径代入中较小的值
46.取。
2）计算圆周速度v。
。
计算齿宽b.
0.48032mm。
计算齿宽齿高比b/h。
模数
5）根据v5m/s,7级精度,查得动载系数1.15;直齿轮,由7级精度,小齿轮相对支承为非对称布置,,故载荷系数。
6）
7）计算模数。
。
2.4.2.4确定几何尺寸。
取模数m2,齿轮直径要取大一些,令502mm100mm,mm;中心距;。
低速级圆柱齿轮传动参数如表2-3所示。
表2-3低速级圆柱齿轮传动参数
名称代号
单位小齿轮大齿轮模数
mmmmmm压力角
中心距mm传动比啮合角齿宽系数齿数分度圆直径mmmmmm基圆直径mmmmmm齿顶圆直径mmmmmm齿根圆直径mmmmmm齿宽
mmmmmm
材料及齿面硬度HBS调质
钢常化齿顶高mmmmmm齿根高mmmmmm全齿高mmmmmm
2.4.3减速器附件的名称、位置和作用
（1）窥视孔和窥视孔盖:
在减速器上不开窥视孔,检查齿面接触斑点和齿侧间隙,了解啮合情况;
（2）放油螺塞:
在减速器底部设有放油孔,用于排除污油,注油前用螺塞堵
上;
（3）油标:
油标用来检查油面高度,保证正常油量;
（4）通气器:
在机盖顶部或窥视孔盖上安装通气器,使机体内热涨气体自由逸出,达到机体内外气压相等,提高机体由缝隙处的密封性能;
（5）启盖螺钉:
机盖与机座接合面上涂有水玻璃或密封胶,联结后不易分开。
故在机盖凸缘上装有一到两个启盖螺钉,在启盖时,先拧动次螺钉顶起机盖;
（6）定位销:
为保证轴承座孔的安装精度,在机盖和机座用螺栓联接后,镗孔之前装上两个定位销,销孔位置不对陈;
（7）调整垫片:
调整垫片有多片很薄的软金属制成,用以调整轴承间隙,有的垫片还要起调整传动零件轴向位置的作用;
（8）吊环:
机盖上装有吊环,用以搬运或拆卸机盖,在基座上铸出吊钩,用以搬运机座或整个减速器,
（9）密封装置:
在伸出轴与端盖之间有间隙,必须安装密封件,以防止漏油或污物进入机体内。
2.5齿轮的结构设计及精度选择
2.5.1小花键齿轮
2.5.1.1齿轮结构
齿轮有关尺寸如下:
花键孔内径mm,花键孔外径mm,轮毂长度mm。
齿轮精度等级选择
确定齿轮的精度等级小齿轮的分度圆直径:
mm,
大齿轮的分度圆直径:
mm,
公称中心距:
mm,
齿轮的圆周速度:
m/s,
参考表10-5所列通用减速器的齿轮和表10-6所列某些机器中的普通齿轮所采用的精度等级,按齿轮圆周速度,综合考虑三项精度要求,确定齿轮传递运动的准确性、传动平稳性、轮齿载荷分布均匀性的精度等级分别为8级、7级、7级。
确定齿轮的
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