李 蕊，沈曉斌，王 亮

(天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津300400)

0 引言

鋼鐵的用途非常廣泛，在國民經(jīng)濟體制中所發(fā)揮的作用是至關(guān)重要的。 經(jīng)濟的迅速增加，鋼鐵生產(chǎn)的水平是衡量一個國家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)4 個現(xiàn)代化水平得重要標(biāo)志。 而在鋼鐵生產(chǎn)過程中， 極少部分是使用鑄造等方法來制成鑄件的，剩下的絕大多數(shù)百分之九十上的鋼鐵都是使用軋鋼機軋制出來成材的。 更有甚者，一些鋼材并不是直接由鑄鋼車間生產(chǎn)，但也得由軋鋼機車間提供坯料。 所以，在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)里，作為鋼材生產(chǎn)的最末尾一個環(huán)節(jié)—軋鋼生產(chǎn)就體現(xiàn)出其至關(guān)重要的作用，軋鋼機的應(yīng)用在國民經(jīng)濟體制中占了至關(guān)重要的位置。軋鋼機，是實現(xiàn)金屬軋制過程的設(shè)備。泛指完成軋材生產(chǎn)全過程的裝備， 其包括有主要設(shè)備、輔助設(shè)備、起重運輸設(shè)備和附屬設(shè)備等。 軋鋼機的傳動機構(gòu)包括：齒輪機座、減速機、飛輪、聯(lián)接軸、聯(lián)軸節(jié)等部分。 而在軋鋼機的工作過程中雙圓弧齒輪的使用起到了至關(guān)重要的作用，雙圓弧齒輪相比普通漸開線齒輪有著更多的優(yōu)點。 第一，雙圓弧齒輪的承載能力較大，由于結(jié)構(gòu)相比較更合理，齒輪的齒根彎曲強度和齒面接觸強度都比較高，相同的尺寸和材料下可以承受更大的載荷；第二，雙圓弧齒輪有著很好的潤滑性能，在傳動中更容易在齒面形成動壓油膜，這樣可以提高齒輪的壽命；最后，雙圓弧齒輪不存在根切現(xiàn)象， 所以尺寸可以做的更小。所以軋鋼機雙圓弧齒輪設(shè)計研究具有重大的意義。

雙圓弧齒輪是重型設(shè)備傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，其具有傳動功率大、承載能力強、傳動平穩(wěn)性強和結(jié)構(gòu)空間小等特點， 近年來在一些高速、重載、大功率的齒輪傳動中，被越來越廣泛地應(yīng)用[1]。但是在傳統(tǒng)的雙圓弧齒輪設(shè)計過程中，齒輪的設(shè)計計算量大， 手工查圖表選擇參數(shù)的過程比較復(fù)雜，合理性也不好保證，經(jīng)常會為了保證傳動系統(tǒng)的體積而造成齒輪強度不夠，抑或保證了齒輪強度而造成傳動系統(tǒng)體積過大。 在整個設(shè)計過程中，經(jīng)常會發(fā)生重復(fù)反復(fù)地計算工作量，大大降低了工程師的工作效率，從而影響產(chǎn)品的時效性。 為了解決這個現(xiàn)狀，筆者針對軋鋼機傳動系統(tǒng)平臺，開發(fā)了一套雙圓弧齒輪設(shè)計軟件。

1 雙圓弧齒輪設(shè)計準(zhǔn)則

雙圓弧齒輪的失效形式主要是輪齒的彎曲折斷、齒面點蝕、齒面膠合和塑性變形。 由于雙圓弧齒輪受力情況比較復(fù)雜，因此，其強度計算多以三維應(yīng)力分析和大量的試驗研究為基礎(chǔ)。1992 年我國制訂了《雙圓弧圓柱齒輪承載能力計算方法》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13799-1992)，目前雙圓弧齒輪的設(shè)計準(zhǔn)則是以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的，主要包括彎曲強度計算和接觸強度計算方法[2]。

在設(shè)計時，需要根據(jù)設(shè)計需求來確定一些已知參數(shù)，如：小齒輪傳動功率及轉(zhuǎn)數(shù)、滿載工作時間、傳動比、齒輪精度等級、齒形和齒輪材料等，齒輪分布情況及齒面硬度選擇，齒輪使用環(huán)境及潤滑工況選擇，其他數(shù)值皆按經(jīng)驗數(shù)值暫取即可。

2 雙圓弧齒輪傳動計算過程

(1)選擇齒輪材料及參數(shù)，根據(jù)已知條件和暫取數(shù)值計算重合度εβ(整數(shù)部分με和尾數(shù)部分Δε)；

(2)按齒根彎曲疲勞強度初定模數(shù)mn；

(3)初定齒輪傳動參數(shù)，如中心距a，螺旋角β，小齒輪直徑d1，齒寬b 等；

(4)校核齒根彎曲疲勞強度；

(5)校核齒面接觸疲勞強度；

(6)主要參數(shù)與幾何尺寸計算，包括：法向模數(shù)mn，端面模數(shù)mt，大小齒輪齒數(shù)z1和z2，螺旋角β，大小齒輪分度圓直徑d1和d2，大小齒輪齒頂圓直徑da1和da2，大小齒輪齒根圓直徑df1和df2，中心距a，以及齒寬b。

以上過程中，涉及的查圖表工作量及計算量均比較大，稍有疏忽就會造成參數(shù)錯誤，需要不斷地驗證并修正，再重新校核，這對于人工計算來說可謂是事倍功半且伴有風(fēng)險。

3 程序設(shè)計流程

3.1 軟件平臺

雙圓弧齒輪設(shè)計系統(tǒng)是在Windows7 32 位系統(tǒng)下VC++6.0 編程， 并利用自帶的MFC 制作友好的用戶交互界面。

3.2 軟件設(shè)計流程圖

如圖1 所示，整個過程的查詢圖表和計算工作均實現(xiàn)自動化， 嚴(yán)格按照設(shè)計公式和設(shè)計流程執(zhí)行。 其中：p 為傳動功率，n 為轉(zhuǎn)速，h 為滿載工作時間，u 為傳動比，z1為小齒輪齒數(shù)，a 為齒寬系數(shù)，β為螺旋角，K 為載荷系數(shù)，SFmin為齒根彎曲最小疲勞系數(shù)，SHmin為齒面接觸最小疲勞系數(shù)，εβ為重合度，με和Δε 分別為重合度整數(shù)部分及尾數(shù)部分，a 為中心距，b 為齒寬。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

4 程序設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

雙圓弧齒輪設(shè)計過程要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計流程進行，遇到問題了要做到可回溯，這就涉及到設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的交互與保存，使整個過程更清晰和嚴(yán)謹。 在設(shè)計過程中，有很多參數(shù)和數(shù)值需要通過查詢曲線圖和表格來確定，程序中需要將用到的公式程序化，曲線圖參數(shù)化，表格數(shù)值化，這樣在計算過程中才能實現(xiàn)按需調(diào)用。

4.1 數(shù)據(jù)交互和保存

在雙圓弧齒輪設(shè)計過程中， 要實現(xiàn)流程可回溯，必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)可實時交互，用戶界面中所有通過輸入的數(shù)值和選擇的選項都會自動保存到一個“config.ini”文件中，用戶打開“輸入已知參數(shù)”界面時，程序會自動讀取該文件中的數(shù)值和選項，設(shè)置完成關(guān)閉界面后，參數(shù)和選項則自動保存到該文件中，在設(shè)計過程中，用戶可以根據(jù)計算結(jié)果隨時修改和更新設(shè)計參數(shù)，以便得到更優(yōu)化的計算數(shù)據(jù)。

4.2 曲線圖參數(shù)化

在整個設(shè)計過程中， 用到的公式可以用C++寫好后被調(diào)用， 表格也可以用C++做好映射后隨時被調(diào)用，最為繁瑣的工作就是查曲線圖。 曲線圖的參數(shù)化過程實際上就是對原有機械特性曲線的重采樣，擬合度必須無限逼近機械特性曲線，不能通過做數(shù)據(jù)庫來映射曲線，因為數(shù)據(jù)庫只能做到有限的離散點的映射，筆者提出了用Akima 插值實現(xiàn)了機械特性曲線的重采樣[3]，所擬合出來的曲線真實性好，精度高，在計算機上還原了機械特性曲線，因為重采樣的曲線是連續(xù)的，故可實現(xiàn)曲線上任意點的查詢，以下是《機械設(shè)計手冊單行本》(齒輪傳動)上兩個機械特性曲線圖與重采樣結(jié)果的對比，分別是第3 章“圓弧齒輪傳動”中圖16.3-13 的接觸跡間載荷分布系數(shù)K(1硬齒面)和圖16.3-12(a)的雙圓弧齒輪的接觸跡系數(shù)KΔε，結(jié)果如圖2-圖5 所示。

圖2 接觸跡間載荷分布系數(shù)K1 原始曲線

圖3 Akima 插值重采樣的K1 曲線

圖4 雙圓弧齒輪的接觸跡系數(shù)K△ε 原始曲線

圖5 Akima 插值重采樣的K△ε 曲線

4.3 保存設(shè)計計算過程

整個設(shè)計過程都是在Windows 平臺上用VC++編程實現(xiàn)的，只有一個EXE 可執(zhí)行文件。 在整個設(shè)計計算過程中，所有的過程都可實現(xiàn)可視化，計算步驟及查圖表過程都可顯示在主界面上，增強了用戶設(shè)計的可交互性，最終的整個設(shè)計計算過程都可以Word 格式形式保存到本地計算機上， 相當(dāng)于整個設(shè)計計算過程的詳細設(shè)計說明書，有效地節(jié)省了設(shè)計人員后期寫設(shè)計說明書的工作量。

5 雙圓弧齒輪設(shè)計軟件使用說明

雙圓弧齒輪軟件的實際操作過程以《機械設(shè)計手冊單行本》(齒輪傳動)第3 章“圓弧齒輪傳動”中8.1 節(jié)的設(shè)計實例為例。

(1)打開軟件后是一個軟件簡介及使用方法界面，還包含開發(fā)人員和版本信息等，如圖6 所示；

(2)點擊“開始設(shè)計”按鈕，進入到“參數(shù)設(shè)置”界面，將例程給出的已知條件錄入到相應(yīng)的可編輯框以及下拉框中，確認參數(shù)設(shè)置無誤后，點擊“確定”按鈕，如圖7 所示；

圖6 軟件說明界面

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

(3)在程序設(shè)計主界面上點擊“開始計算”按鈕，如圖8 所示。

圖8 程序設(shè)計主界面

程序進入設(shè)計計算流程，在這個過程中有對話框彈出來與設(shè)計人員進行交互，如圖9 所示為中心距調(diào)整對話框，圖10 為齒寬調(diào)整對話框。

圖9 中心距調(diào)整對話框

圖10 齒寬調(diào)整對話框

均圓整修改后點擊“確認”按鈕以進行下一步，然后依照流程會相繼彈出大小齒輪齒根彎曲疲勞極限校核確認對話框，大小齒輪齒面接觸疲勞確認對話框，如圖11-圖14 所示。

圖11 小齒輪齒根彎曲疲勞極限確認對話框

圖12 大齒輪齒根彎曲疲勞極限確認對話框

圖13 小齒輪齒面接觸疲勞極限確認對話框

圖14 大齒輪齒面接觸疲勞極限確認對話框

依次點擊“確認”按鈕進入下一步計算過程，在確認過程中如若發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)小于極限次數(shù)或疲勞極限小于最小疲勞極限，則點擊主界面上“更新已知條件”按鈕實現(xiàn)回溯設(shè)計，以達到滿足設(shè)計需求條件，最終設(shè)計結(jié)果及整個設(shè)計過程均顯示在主界面上，如圖15 所示，點擊右下角“輸出到WORD”按鈕，則將整個設(shè)計過程保存到本地計算機指定文件名的WORD 文件中。

圖15 程序計算結(jié)果

6 結(jié)束語

經(jīng)大量實驗驗證，該軟件設(shè)計流程符合雙圓弧齒輪設(shè)計要求， 整個設(shè)計過程及參數(shù)選擇嚴(yán)謹合理，能自動生成WORD 版設(shè)計說明書，并且界面友好，使用簡單，對機械設(shè)計人員要求不高，極大地提高了設(shè)計工作的效率，避免了傳統(tǒng)設(shè)計過程中的大量計算和查圖表過程。 本論文詳細闡述了利用VC++編程進行軋鋼機雙圓弧齒輪系統(tǒng)的開發(fā)流程，開發(fā)了雙圓弧齒輪設(shè)計軟件，提高了雙圓弧齒輪的設(shè)計效率和準(zhǔn)確性，大大降低了設(shè)計過程中的重復(fù)勞動和縮短了設(shè)計周期。 對于軋鋼機重要機構(gòu)雙圓弧齒輪的設(shè)計提供了很好的設(shè)計理念和軟件應(yīng)用工具， 極大提高了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性，對于今后研究軋鋼機的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及雙圓弧齒輪的設(shè)計都具有一定的參考價值。